一颗能自供电的芯片

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来源 ： 内容 编译自 chipsandcheese 。

Hot Chips 2025 大会上充斥着关于高功率设备的演示。人工智能每颗芯片的功耗高达数百瓦，需要复杂的供电和同样复杂的散热系统。这与那些必须使用标准壁式插座或移动设备电池的消费类设备截然不同。虽然在壁式插座或电池的限制下工作很困难，但与完全没有电源的情况下工作相比，这简直是小巫见大巫。这正是 Everactive 的重点，也是他们在 Hot Chips 2025 大会上演讲的主题。

Everactive 生产的 SoC 能够利用从环境中收集的能量自行供电，无需稳定电源即可运行。自供电 SoC 非常适合大型物联网部署。为设备接线或更换电池会使设备数量的扩展变得复杂，尤其是当这些物联网设备是位于难以触及位置的传感器时。从可持续性的角度来看，利用环境能量也很有吸引力。可靠性也受益匪浅，因为设备不会受到电网故障的影响。

但依赖能量收集也存在自身的挑战。收集的能量通常在毫瓦或微瓦范围内，具体取决于能源来源。功率水平也会根据环境条件而波动。这意味着 SoC 必须以极低的功率运行，同时采取措施最大限度地利用收集的能量，并在次优条件下生存。

SoC概述

Everactive 的 SoC 型号为 PKS3000，采用 55 nm ULP 工艺，占地 6.7 mm²。其设计旨在在严格的自供电操作限制下收集和传输数据。该 SoC 可在 5 MHz 下运行，功耗为 12 微瓦，基底功耗为 2.19 微瓦。它可与各种传感器连接以收集数据，并配备功率优化的 Wifi/蓝牙/5G 无线电用于数据传输。扩展端口可连接外部微控制器和存储器，这些存储器也可由收集的能量供电。

在处理方面，该SoC包含一个Arm Cortex M0+微控制器。Cortex M0+是Arm功耗最低的内核之一，并配有简单的两级流水线。其内存子系统同样简洁，没有内置缓存，指令和数据访问共用一个内存端口。该芯片包含128 KB SRAM和256 KB闪存。因此，与最初的IBM PC相比，该SoC的存储空间和系统内存更小，但主频更高，这充分体现了近50年来硅片制造技术的进步。

EH-PMU：协调电力输送

能量收集是该芯片的核心目标，由能量收集电源管理单元 (EH-PMU) 控制。EH-PMU 采用多输入、单电感、多输出 (MISIMO) 拓扑结构，可同时从两个能源收集能量，并在四个电源轨上输出功率。对于能量收集源，Everactive 以光和温差为例，因为它们通常可用。光可以从光伏电池 (PV) 收集，而热电发电机 (TEG) 可以从温差收集。根据预期的环境条件，SoC 可以设置其他能源，例如无线电发射、机械振动或气流。

最大功率点跟踪 (MPPT) 可帮助 EH-PMU 从每个收集源以最佳电压获取能量，从而提高能量收集效率。尽管使用了两个能量源并采用优化技术，但收集的能量通常仍不稳定，因此 PKS3000 可以将能量存储在一对电容器中。超级电容器可提供深度能量存储，旨在确保芯片在恶劣条件下也能继续运行。较小的电容器充电速度更快，并且可以快速收集电能，从而加快电压骤降后的冷启动速度。Everactive 的 SoC 可以使用 PV/TEG 组合在 60 勒克斯和 8 摄氏度下进行冷启动，这大约相当于寒冷房间内的室内照明。

EH-PMU 为四个输出轨供电，分别为 1p8、1p2、0p9 和 adj，在良好条件下，它们可以通过能量收集源供电。在恶劣条件下，EH-PMU 可以通过电容器中存储的能量供电。一组脉冲计数器监控整个芯片的能量流动。收集到的能量统计数据会被传输到能量感知子系统。

能源感知子系统

能量感知子系统 (EAS) 监控能量收集、存储和消耗，以做出电源管理决策。它的作用类似于英特尔的电源控制单元 (PCU) 或 AMD 的系统管理单元 (SMU)。与英特尔的 PCU 或 AMD 的 SMU 一样，EAS 通过一系列不同的策略管理频率和电压调节。固件可以连接到 EAS 来设置最大频率和电源管理策略，就像操作系统在高功耗平台上所做的那样。能量统计数据可用于决定何时启用组件或执行 OTA 更新。

EAS 还控制一个负载开关，该开关可用于切断外部组件。Everactive 发现某些外部组件具有较高的功率底限。关闭它们可以防止它们垄断芯片非常有限的功率预算。可以通知组件并允许其执行正常关机。但 EAS 还可以以非合作的方式关闭它们。这使得 EAS 比英特尔的 PCU 或 AMD 的 SMU 拥有更大的权力，后两者无法独立决定是否应关闭某些组件。但 EAS 需要这些权力，因为它肩负着更重的责任和约束。对于 Everactive 的 SoC 而言，糟糕的电源管理并不是电费略高或电池寿命缩短的问题。相反，它可能导致频繁的电压下降，从而阻止 SoC 及时提供传感器数据更新。这对于工业监控应用来说非常不理想，因为丢失的数据可能会导致操作员无法注意到问题。

EAS 支持等待唤醒模式，该模式可使设备进入低功耗模式，在这种模式下，它仍然可以非常快速地响应来自传感器或环境的活动。通常，Everactive 的 SoC 旨在尽可能多地尝试空闲。

唤醒无线电

空闲优化也延伸到了无线电。对于自供电SoC来说，通信是一个挑战，因为即使无线电只是保持网络连接，其功耗也可能很高。断开连接是一种选择，但效果不佳，因为重新连接会带来延迟，而且某些接入点无法可靠地处理频繁的重新连接。Everactive 使用唤醒无线电 (WRX) 解决了这个问题，它使用一个始终开启的接收器，能够以极低的功耗接收部分消息。与使用占空比的传统无线电相比，唤醒接收器力求在实现更低延迟的同时，减少空闲监控所浪费的功耗。

Everactive 的 WRX 与外部通信收发器共享天线，客户可根据其网络设计选择合适的收发器。射频开关使 WRX 能够共享天线，并由板载匹配网络选择频率。无源路径的工作频率范围为 300 MHz 至 3 GHz，因此搭配合适的板载匹配网络，可支持多种标准。宽带信号输入到无源路径上的唤醒接收器，由其进行能量检测。然后，WRX 可以根据协议进行基带增益或中频 (IF) 增益。

WRX 功率随配置而变化。使用无射频增益的无源路径可提供低于 1 微瓦的极低基线功率，同时为亚 GHz 应用提供可观的 -63 dBm 灵敏度。该模式可提供约 200 米的覆盖范围，非常适合工业监控环境。更长距离的应用（超过 1000 米）需要更大的功率，因为必须加入射频增强来提高灵敏度。为了防止高有功功率成为问题，Everactive 采用多级唤醒和非常细粒度的占空比，让无线电在可能收到唤醒消息时进行采样。凭借这些技术，该芯片能够实现 -92 dBm 的灵敏度，同时将平均功率保持在 6 微瓦以下。

相比之下，英特尔的 Wi-Fi 6 AX201 可以实现类似的灵敏度，但在核心功耗降低 (Core Power Down) 模式下的空闲功耗为 1.6 mW。与 2.4 GHz 接入点关联时，功耗会上升到 3.4 mW。从绝对意义上讲，这种功耗仍然非常低。但 Everactive 的 WRX 设置功耗更低，这不仅令人印象深刻，也再次凸显了自供电操作面临的挑战。Everactive 认为标准正朝着使用唤醒无线电的方向发展。唤醒接收器的研究已有数十年，并且随着时间的推移不断改进。不可否认，空闲功耗是有好处的，看看 WRX 是否会得到更广泛的应用将会很有趣。

最后的话

Everactive 的 PKS3000 是极致节能措施的典范。提高电源效率的目标被反复提及。数据中心 GPU 力求实现更高的 FLOPS/watt。笔记本电脑芯片每一代都在进行功耗优化。但自供电 SoC 真正将节能提升到了一个新的水平，因为它们的功耗预算非常有限。Everactive 的许多优化措施将功耗降低到了微瓦级别，比移动设备关心的毫瓦级别低了一个数量级。PKS3000 在某些限制条件下的空闲功耗为 2.19 微瓦，在唤醒接收器始终开启的情况下则低于 4 微瓦。即使在负载下，Everactive 的 SoC 所消耗的功耗也比 PC 爱好者所熟悉的芯片低几个数量级，更不用说那些能够消耗一千瓦或更高功耗的面向 AI 的巨型芯片了。

PKS3000 也比 Everactive 自己的 PKS2001 SoC 有所改进，在更高时钟频率下运行时降低了功耗，并实现了更高的无线电灵敏度。空闲功耗从 30 微瓦降至 2.19 微瓦令人印象深刻。工作功耗从 89.1 微瓦降至 12 微瓦也值得称赞。与 PKS2001 使用的 65 纳米节点相比，PKS3000 确实升级到了更先进的 55 纳米超低功耗 (ULP) 节点。但毫无疑问，许多改进也来自架构技术。

重要的是不要忽视大局。这两款 SoC 均未使用尖端的 FinFET 节点，但它们能够以极低的功耗完成任务。自供电 SoC 当然有局限性，不难理解为什么 Everactive 专注于工业监控应用。但我确实想知道，随着技术的发展，低功耗 SoC 是否可以覆盖更广泛的用例，或者更多的资金是否可以让它们使用现代工艺节点。Everactive 的演示与高功率 AI 设置的讨论并列。谷歌谈到了通过大规模 AI 训练部署来管理兆瓦级的功率波动。Meta 讨论了他们如何将每机架功率提高到 93.5 kW。在当前 AI 热潮下，功耗引发了对可持续性的担忧，从可持续性的角度来看，无电池自供电 SoC 是如此美好。我希望看到能量收集 SoC 承担更多任务。

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