TI采用新“金剛狼”MCU平臺(tái) 使MCU總功耗銳減50%

引言

德州儀器 (TI) 于上世紀(jì) 70 年代推出了微控制器 (MCU)，并已在眾多的平臺(tái)中運(yùn)用了此項(xiàng)技術(shù)，包括超低功耗 MSP430™ MCU 產(chǎn)品系列。MSP430 MCU 十多年來一直是業(yè)界超低功耗技術(shù)的領(lǐng)先者，而且每一代新型架構(gòu)皆專注于創(chuàng)造全新的功耗與效率指標(biāo)記錄。

MSP430 架構(gòu)業(yè)已提供了僅在需要時(shí)才喚醒的智能外設(shè)、允許 MCU 內(nèi)部的模塊以不同頻率運(yùn)作的靈活定時(shí)、以及先進(jìn)的電源管理技術(shù)等，這些只是其諸多創(chuàng)新成果中的幾個(gè)而已。雖然貴為業(yè)界領(lǐng)袖，但 TI 并未因此沾沾自喜固步自封，而是一如既往地投入巨資不斷地開發(fā)最先進(jìn)的超低功耗技術(shù)。

憑借“金剛狼 (Wolverine)”MCU 平臺(tái)(因其運(yùn)用了激進(jìn)的節(jié)能技術(shù)而擁有了這一代號(hào))，TI 創(chuàng)立了下一代 MSP430 架構(gòu)(見圖 1)。這款新型平臺(tái)將 MCU 的功率與能源消耗銳減了一半以上，從而使超低功耗性能邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

* 據(jù)美國史密森研究所 (Smithsonian Institution) 提供的資料。

圖 1：憑借“金剛狼”MCU 平臺(tái)(因其運(yùn)用了激進(jìn)的節(jié)能技術(shù)而擁有了這一代號(hào))，TI 創(chuàng)建了下一代 MSP430 架構(gòu)，其將 MCU 的功率與能源消耗銳減了一半以上，從而使超低功耗性能邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

· 運(yùn)行模式功耗低至 100μA/MHz

· 待機(jī)流耗低于 400 nA(RTC 和欠壓保護(hù)模式)

· FRAM 每位能耗下降了 250 倍

· 可在不到 7μs 的時(shí)間里從待機(jī)模式喚醒至運(yùn)行模式

TI“金剛狼”平臺(tái)之所以實(shí)現(xiàn)了引人注目的功耗性能提升，憑借的是其新型 130 nm 超低漏電 (ULL) 工藝技術(shù)、集成型低功耗非易失性存儲(chǔ)器以及利用先進(jìn)的電源管理與高精度低功耗模擬組件得以增強(qiáng)的 MSP430 原生優(yōu)勢(shì)。

130 nm 超低漏電 (ULL) 工藝技術(shù)

鑒于超低功耗器件有 99.9% 的時(shí)間都處于待機(jī)模式，因此在較小的工藝幾何尺寸下，漏電流便成為了決定功率效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。低功耗設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)源于晶體管漏電流的指數(shù)性增加(因柵極長(zhǎng)度的不斷縮減及柵極氧化物所致)。

漏電流基于電子在節(jié)點(diǎn)之間必須移動(dòng)的距離，而隨著這個(gè)距離的不斷縮小，電子在節(jié)點(diǎn)之間的泄放越來越容易。以基于 25 nm 或 45 nm 工藝的 PC 用高性能微處理器 (MPU) 為例，其必須使用特殊的材料來控制漏電。對(duì)于 MCU，漏電流從 180 nm CMOS 工藝節(jié)點(diǎn)開始變成了一個(gè)重要的考慮因素。

通過其在 65 nm、45 nm 和 28 nm 工藝節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)的 GHz 智能手機(jī)處理器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，TI 對(duì)于較小工藝節(jié)點(diǎn)下的漏電流了如指掌，而且 TI 的工程師們把學(xué)到的有關(guān)這些較小工藝幾何尺寸下的漏電流特性的知識(shí)，全部都應(yīng)用到了“金剛狼”的 130 nm 工藝中。

歷史上，MCU 設(shè)計(jì)人員往往將其創(chuàng)新的著重點(diǎn)放在提高性能和密度上。自 1965 年以來，摩爾定律 (Moore’s Law) 一直在推動(dòng)著晶體管和芯片性能的提升。雖然這種改進(jìn)的步伐在過去的 10 年間有所放緩，但工藝技術(shù)每 18 個(gè)月將性能提升一倍的歷史，已經(jīng)有 30 多年了。

就 130 nm“金剛狼”平臺(tái)而言，TI 通過專為提升功率效率而設(shè)計(jì)，并針對(duì)較低漏電流和其他硅工藝固有特性而優(yōu)化的電路，恢復(fù)了摩爾定律在改善功耗(而非性能)指標(biāo)方面的作用。盡管沒有像采用傳統(tǒng)方法時(shí)那樣將性能提升一倍，但 TI 卻代之以功耗的減半(也就是將功耗指標(biāo)改善了一倍)，同時(shí)保持了現(xiàn)今 MSP430 MCU 架構(gòu)的高性能。

結(jié)果，與其他 130 nm CMOS 工藝相比，各個(gè)晶體管的最小漏電流將至少減低10 倍，而運(yùn)行功耗則總體下降了 15%(圖 2)。

圖 2：采用低漏電法雖未提高性能，卻可以保持低的功率損失，同時(shí)充分利用工藝尺寸縮小帶來的運(yùn)行功耗下降優(yōu)勢(shì)。結(jié)果是：漏電流減低 10 倍，而運(yùn)行功耗總體下降了 15%。

超低功耗的基礎(chǔ)

為了獲得新型 130 nm 工藝技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)，TI 對(duì)其整個(gè)設(shè)計(jì)工具套件庫進(jìn)行了全面的重新設(shè)計(jì)，旨在將著重點(diǎn)集中在功率效率而非高性能上。這些工具套件(包括標(biāo)準(zhǔn)單元庫、電容器、模擬組件和 I/O)基于基礎(chǔ)級(jí)晶體管配置，其形成了用于設(shè)計(jì)當(dāng)今復(fù)雜 MCU 的主要構(gòu)件。

針對(duì) 130 nm 工藝的新型工具套件具有豐富的模擬組件，以實(shí)現(xiàn)諸如高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 等外設(shè)和用于大幅降低功耗的內(nèi)部電源管理電路。例如：“金剛狼”模塊產(chǎn)品組合包括一個(gè)每秒鐘能完成 20 萬次采樣而流耗僅為 75μA 的高精度 12 位 ADC。同樣，具有日歷顯示和報(bào)警功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 模塊能夠以僅僅 100 nA 的流耗運(yùn)行。130 nm 的超低漏電工藝與豐富的混合信號(hào)集成相組合，有助實(shí)現(xiàn)業(yè)界最低的總系統(tǒng)功耗。

先進(jìn)的電源管理

功率效率并非只適用于 CPU 的功耗。有功電流同樣取決于系統(tǒng)執(zhí)行定時(shí)的效率、高精度模擬外設(shè)和通信接口。如欲最大限度地降低各種不同工作負(fù)載條件下的功耗，運(yùn)用先進(jìn)的電源管理技術(shù)是必不可少的。

“金剛狼”架構(gòu)提供了 MSP430 MCU 電源管理模塊的一種增強(qiáng)型版本。除了支持 7 種操作模式之外，“金剛狼”電源管理模塊還能提供先進(jìn)的電源門控 (power gating)，并采用了一個(gè)高響應(yīng)性的自適應(yīng)穩(wěn)壓器。在內(nèi)部，MCU 被分割成了幾個(gè)功率域，以使系統(tǒng)能夠根據(jù)應(yīng)用的特殊需求動(dòng)態(tài)地管理器件的每個(gè)部分。

當(dāng)使系統(tǒng)在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間里處于待機(jī)模式時(shí)，就最大限度地降低了總體系統(tǒng)功耗。然而，系統(tǒng)每次在待機(jī)模式與運(yùn)行模式之間切換都會(huì)產(chǎn)生功耗。特別地，供應(yīng)給電路的電壓不但達(dá)到預(yù)期電平而且重新預(yù)置子系統(tǒng)或外設(shè)，以再度變至運(yùn)作狀態(tài)，都需要時(shí)間。在這段時(shí)間里，電路吸取的功率日益增大，卻并未完成任何有用的工作(見圖 3)。這些喚醒損耗將導(dǎo)致性能下降、響應(yīng)性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運(yùn)行”與“待機(jī)”模式之間切換的系統(tǒng)中。

圖 3：當(dāng)系統(tǒng)被喚醒時(shí)，它將吸取功率而不執(zhí)行任何有用的任務(wù)。這些喚醒損耗將導(dǎo)致性能下降、響應(yīng)性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運(yùn)行”與“待機(jī)”模式之間切換的系統(tǒng)中。

為了降低喚醒損耗，“金剛狼”采取了一種不同的方法。傳統(tǒng)上，在不用的時(shí)候整個(gè)模塊或外設(shè)都會(huì)被關(guān)斷。通過采用電源門控控制器，使更多的模塊或外設(shè)以一種“保持”模式運(yùn)行，“金剛狼”改善了功率效率。在該模式中，對(duì)那些處于運(yùn)行狀態(tài)并請(qǐng)求時(shí)鐘的模塊保持全面供電。而對(duì)于那些處于空閑和未用狀態(tài)的模塊則施以“保持水平”的供電。這意味著將只對(duì)專門用于保持模塊狀態(tài)的邏輯電路供電。

電源門控可以在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能。設(shè)想一個(gè)在待機(jī)模式中處于使用狀態(tài)的定時(shí)器。當(dāng)此定時(shí)器主動(dòng)請(qǐng)求一個(gè)時(shí)鐘時(shí)，電源門控控制器檢測(cè)到該請(qǐng)求并把定時(shí)器保持于一種全面運(yùn)行的狀態(tài)。然而，一旦定時(shí)器功能完成，則將其供電降至“保持水平”，同時(shí)維持配置狀態(tài)以盡可能地降低功耗。當(dāng)再次需要定時(shí)器時(shí)即可快速提供，從而最大限度地減少喚醒損耗。電源門控對(duì)于開發(fā)人員是透明的，可使他們充分利用業(yè)界領(lǐng)先的功率效率，而無須對(duì)每個(gè)模塊或外設(shè)進(jìn)行手動(dòng)控制(見圖 4)。

圖 4：這是以一種簡(jiǎn)單的可視化方式顯示的運(yùn)轉(zhuǎn)中的先進(jìn)電源門控功能。將器件中的未使用部分維持于“保持狀態(tài)”，從而使它們能以比采用其他架構(gòu)時(shí)快得多的速度喚醒。

超低功耗 MCU需要具備的另一項(xiàng)重要功能是擁有對(duì)變化的應(yīng)用負(fù)載做出快速響應(yīng)的能力。利用可在不需要主 CPU 完整性能的情況下降低其供電功率的技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能。然而，“金剛狼”平臺(tái)中的智能電源模塊可自動(dòng)適應(yīng)應(yīng)用負(fù)載的變化(比如：當(dāng)一個(gè)高頻模塊上電時(shí))，而不需要開發(fā)人員以手動(dòng)的方式調(diào)節(jié)該功率(見下頁上的圖 5)。

操作速度根據(jù)以下條件進(jìn)行調(diào)節(jié)：

· 應(yīng)用要求

· 最大可用功率

圖 5：“金剛狼”智能電源管理模塊可自動(dòng)適應(yīng)應(yīng)用負(fù)載的變化，從而實(shí)現(xiàn)“透明”的功率調(diào)節(jié)。

在低數(shù)字功率下具有低穩(wěn)壓器開銷

具體而言，負(fù)責(zé)為 MCU 的數(shù)字內(nèi)核供電的自適應(yīng)低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 可根據(jù)需要增加其負(fù)載，從而對(duì)變化的功率要求做出響應(yīng)。事實(shí)上，“金剛狼”能自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的電流需求并根據(jù)需要提供時(shí)鐘與功率。

圖 6：“金剛狼”能自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用的電流需求，隨后動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)自適應(yīng) LDO 以與應(yīng)用的功率及定時(shí)要求相匹配，從而最大限度地提升功率效率。

憑借很高的精細(xì)度，該 LDO 能夠與各種各樣的應(yīng)用負(fù)載相匹配。另外，這種方法還免除了增設(shè)諸如緩沖電容器(其在從低負(fù)載電流切換至高負(fù)載電流時(shí)使用)等外部組件的需要。與電源門控一樣，該節(jié)能技術(shù)同樣以一種對(duì)開發(fā)人員“無縫且透明”的方式實(shí)現(xiàn)了電源管理的自動(dòng)化。

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)

MCU 程序代碼和主要系統(tǒng)參數(shù)通常存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器之中，最常用的是閃存或 EEPROM。閃存的寫入速度偏慢，而且功耗高、可寫入次數(shù)少，因而不適用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。因此，MCU 通常至少具有兩類存儲(chǔ)器：用于存儲(chǔ)代碼的閃存和用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的 SRAM。

為了克服閃存的局限性，TI 在“金剛狼”架構(gòu)中集成了一個(gè)全新的非易失性存儲(chǔ)位 - 鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (FRAM)。TI 投資研發(fā) FRAM 技術(shù)已有 15 年了，而且除了其目前提供的具有嵌入式 FRAM 的 MSP430FR57xx 器件之外，自 2007 年以來 TI 還與 Ramtron 公司合作生產(chǎn)獨(dú)立型 FRAM 器件。

FRAM 與 DRAM 很相似，只是它利用一種結(jié)晶狀態(tài)(而不是電荷)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。所以，它具有與 DRAM 相似的讀/寫存取和快速周期。

FRAM 同樣也是一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其每個(gè)位都可個(gè)別地讀或?qū)?。此外，F(xiàn)RAM 還采用一種簡(jiǎn)單的單步寫過程。這意味著它不需要像使用閃存時(shí)那樣在進(jìn)行寫操作之前進(jìn)行一次單獨(dú)的擦除操作。

與閃存相比，F(xiàn)RAM 具有很高的效率(見表 1)。閃存的寫操作需要 10 V～15 V 的電壓和一個(gè)充電泵，這增加了幾 ms 的充電時(shí)間。另外，閃存的寫入還是一種多級(jí)操作，期間必須禁用中斷。這一因素使得閃存的塊寫入變得復(fù)雜化，因?yàn)橄到y(tǒng)必須將此類寫入劃分為若干個(gè)可在其間啟用中斷的較小區(qū)塊，這樣就不會(huì)丟失關(guān)鍵的信號(hào)或事件。

表 1：非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)的比較

1 - 獨(dú)立型 EEPROM 寫操作

2 - 總功耗

FRAM、SRAM 和閃存的數(shù)據(jù)代表了器件內(nèi)部嵌入式存儲(chǔ)器的性能

與此截然不同的是，F(xiàn)RAM 的寫操作只需要 1.5 V 電壓。再加上其寫入速度是閃存的 100 倍，因此實(shí)際的寫操作能耗下降了 250 倍。另外，由于在 FRAM 操作期間中斷可以運(yùn)行，所以還能在不增加編程復(fù)雜性的情況下保持系統(tǒng)可靠性。

看看非易失性存儲(chǔ)器在汽車信息娛樂系統(tǒng)中的使用情況，F(xiàn)RAM 與閃存的效率對(duì)比便能一目了然。當(dāng)汽車斷電時(shí)，需要收集和存儲(chǔ)多種系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便能夠在汽車重新通電時(shí)復(fù)原。在系統(tǒng)所保存的這些數(shù)據(jù)當(dāng)中，包括了駕駛者和乘客設(shè)定的溫度值、收音機(jī)預(yù)設(shè)電臺(tái)、GPS 位置和收音機(jī)音量等。

由于汽車并不知道其電源將在什么時(shí)候被切斷，因此必須使用一個(gè)電容器并在汽車通電時(shí)對(duì)其進(jìn)行充電。在寫入數(shù)據(jù)的過程中，該電容器負(fù)責(zé)為閃存和 MCU 供電。需要保存的數(shù)據(jù)越多，電容器就越大。此外，閃存相對(duì)較慢的寫入速度對(duì)于所能保存的數(shù)據(jù)量也有影響。

在采用相似電容器的情況下，F(xiàn)RAM 可憑借其高寫入速度和功率效率實(shí)現(xiàn) 900 倍于閃存的數(shù)據(jù)存取量。這使得開發(fā)人員能夠采用較小(而且較便宜)的電容器，設(shè)計(jì)不太復(fù)雜的系統(tǒng)。寫操作能力上的這種巨大差異可造就一種全新的低功耗應(yīng)用，包括那些需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)錄入和/或采用能量收集技術(shù)的應(yīng)用。而且，較快的寫操作能力還意味著系統(tǒng)可以在更長(zhǎng)的時(shí)間里處于睡眠模式。

不過，使用 FRAM 也會(huì)影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。閃存的寫壽命有限(可寫入次數(shù)約 10 萬次)，之后可靠性將開始下降。故此，系統(tǒng)參數(shù)常常僅在系統(tǒng)斷電時(shí)保存到閃存中。而 FRAM 實(shí)際上沒有限制的寫壽命(可寫入次數(shù)約 100萬億次)則可使開發(fā)人員重新考慮其存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)的方式。具體來說，就是可以把所有的數(shù)據(jù)早早存儲(chǔ)在非易失性 FRAM 中(即使在其經(jīng)常變化時(shí)也不例外)，而不是把參數(shù)存儲(chǔ)在 SRAM 中并在斷電時(shí)保存至閃存。由于不必主動(dòng)保存參數(shù)且不再需要使用電容器，因此這種方式將更進(jìn)一步地節(jié)省成本。

系統(tǒng)喚醒也得到了改善。在上述的汽車應(yīng)用中，上電時(shí)無需將設(shè)定值恢復(fù)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，因?yàn)樗鼈円言诠玫?FRAM 內(nèi)存空間里提供。對(duì)于可用功率嚴(yán)重受限的應(yīng)用(比如那些采用能量收集技術(shù)的應(yīng)用)，這同樣使其效率有所提高。由于在睡眠期之間不需要為存儲(chǔ)和恢復(fù)數(shù)據(jù)消耗功率，因此應(yīng)用可以使用較小的能量收集電路運(yùn)作，從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。FRAM 使得開發(fā)人員能夠以“延長(zhǎng)操作壽命、降低系統(tǒng)成本和提高產(chǎn)品可靠性”的方式重新考慮其系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，這里所述只是一個(gè)例子而已。

FRAM 另一項(xiàng)重要功能是可兼用作程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。在基于閃存的系統(tǒng)中，根據(jù)代碼長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)量來優(yōu)化系統(tǒng)的能力，其受限于 MCU 所集成的閃存和 SRAM 的數(shù)量。

快速寫存取和實(shí)際上無限的可寫入次數(shù)使 FRAM 既可用作程序存儲(chǔ)器，也可用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MSP430FR58xx 系列(首批基于“金剛狼”的器件)將提供 64 K 字節(jié)的存儲(chǔ)器，并為開發(fā)人員在代碼與數(shù)據(jù)之間分配該存儲(chǔ)器賦予了全面的靈活性。

同時(shí)，這還使得設(shè)計(jì)人員能夠采用具有不同于先前可用之內(nèi)存比 (memory ratio) 的較小 MCU。此外，TI 還集成了一個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)單元 (MPU)，用于避免數(shù)據(jù)操作意外改寫系統(tǒng)代碼以及用于提供額外存儲(chǔ)器保護(hù)的可鎖式代碼段。

基于“金剛狼”的器件還將具有一個(gè) SRAM 區(qū)塊。該存儲(chǔ)器可用于那些真正需要 SRAM 的無限制可寫入次數(shù)的應(yīng)用(以滿足特定操作的要求)。該 SRAM 區(qū)塊亦可用于幫助簡(jiǎn)化現(xiàn)有 MSP430 MCU 設(shè)計(jì)方案的移植。

實(shí)際的處理效率

對(duì)于超低功耗應(yīng)用而言，功耗的減半實(shí)際上遠(yuǎn)比處理器速度的倍增更合乎需要。通過提高系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)及從睡眠狀態(tài)喚醒的速度，開發(fā)人員可在相同的時(shí)間和功耗情況下完成更多的處理任務(wù)，從而實(shí)際上加快了處理速度。這也為開發(fā)人員管理其設(shè)計(jì)中的功率提供了更多的控制手段。針對(duì)嵌入式應(yīng)用，開發(fā)人員能夠充分利用基于“金剛狼”的高效率器件并調(diào)節(jié)至其所需的確切性能水平，而無須使用智能手機(jī)級(jí)的 MCU。

“金剛狼”器件將與現(xiàn)有的 MSP430 MCU 工具和軟件相容，從而使開發(fā)人員可充分“享用”無所不包的 MSP430 MCU 生態(tài)系統(tǒng)。芯片與工具鏈中的內(nèi)置硬件將幫助開發(fā)人員實(shí)時(shí)跟蹤電能使用狀況(獲得準(zhǔn)確的功率分配圖)，這樣在估計(jì)系統(tǒng)功耗和有效操作壽命時(shí)就不再需要依靠猜測(cè)了。TI 還將提供專為分析代碼而設(shè)計(jì)的優(yōu)化工具，以確保功率效率。

在過去的 10 年里，TI 以開發(fā)超低功耗技術(shù)為己任。“金剛狼”幫助實(shí)現(xiàn)了性能與透明電源管理技術(shù)的重大突破，開發(fā)人員因此能夠把更多的時(shí)間投入到設(shè)計(jì)其應(yīng)用的核心功能上，而減少花費(fèi)在優(yōu)化功耗上的時(shí)間。

“金剛狼”平臺(tái)使 MCU 的功耗銳減 50%，從而真正改變了超低功耗技術(shù)領(lǐng)域的面貌。這種高功率效率與低功耗能量收集技術(shù)的進(jìn)步相結(jié)合，使業(yè)界朝著“無電池世界”又邁近了一步。