NUS科研 | 国大新技术让电池寿命延长1.5倍

2020年04月02日

编者按

近日,新加坡国立大学(NUS)工程研发团队成功的发明了一种全新的重新配置技术

该革命性的技术可以使用电池供电的硅芯片能够更快,更长时间地工作

物联网作为现在重要的发展方向,对于我们日常生活以及许多行业的未来产生着重要的影响。从概念走向现实的过程中,物联网设备遭遇到的关键挑战之一,就是在严格受限的能源条件下进行长期持久的操作,这需要极高的功率效率。

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新加坡国立大学(NUS)工程团队研发的这项全新的重新配置技术,实现了电力系统的低最小功耗和高峰值性能.该技术可以自适应地扩展地数字电路的最小功耗和最大性能,使其远远超出了常见的电压缩放范围。这种扩展的适应性允许数字硅芯片在正常使用期间以较低的功率工作,并在必要时以较高的性能水平工作。

这项技术延长了由不确定的电力供应系统供电的电池寿命,如收集器(例如太阳能电池)或可充电电池,同时提供更高的峰值性能,来完成对某些指定正在发生的兴趣事件的片上数据分析。这是物联网(IoT),人工智能(AI),可穿戴设备和生物医学设备等应用程序的关键推动力

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图片来源于NUSnews官网

“我们的重新配置技术为波动电力的可用性和性能需求引入了前所未有的适应性。我们实验室的几块芯片的测试结果表明,与行业常规使用的电压调整技术相比,我们的技术将移动设备或可穿戴设备的电池寿命延长了1.5倍,峰值性能提高了一倍。这项技术也可以使电池进一步微型化,维持电池寿命不变。”新加坡国立大学工程学院副教授Massimo Alioto解释说。他是这一技术突破的背后助力——新加坡国立大学绿色集成电路集团的领导人。

他补充说:“不仅如此,由于我们的电路技术的功率性能的通用性,相同的数字设计可以在广泛的应用和市场上重复使用,半导体公司可以以此来简化他们的芯片组合,降低设计成本。”

NUS研发团队提出的新技术已经应用于进行加速器和处理器(例如,快速傅立叶变换、ARM处理器)的演示。其背后的研究得到了处于领先地位的半导体公司(Intel、TSMC)新加坡教育部新加坡国家研究基金会的支持。

技术突破

大多数先进的移动、物联网和人工智能应用程序需要在平均功率(即电池寿命)和决定系统响应能力的最大性能(例如,当屏幕被触摸时,或当传感器产生感兴趣的数据时,执行数据分析)之间进行灵活的权衡。

目前,动态电压调整是实现这种灵活性的黄金标准。电压在1v左右运行,性能和能耗最高,而降低到0.4-0.5 V,能耗降低4- 5倍,运行速度降低近10倍。这种方法的缺点是,尽管能源消耗和性能的最佳架构取决于所采用的电压,但电压缩放只适用于一般固定的数字架构。

新加坡国立大学的发明优于电压缩放,因为它的电路重新配置,使架构和采用的电压之间更好的匹配,从而进一步降低能源消耗,改善了在不同电压下的表现性能

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图片来源于NUSNews官网

Alioto副教授说:“我们的发明能够重新配置执行实际处理的“数据路径”和分配时钟信号以协调不同处理任务的“时钟路径”。在这两种情况下,它们的基本构建块都可以灵活地合并或拆分,以创建数据和时钟路径结构,从而在给定电压下提高性能。”

与传统的电压缩放相比,NUS Green IC小组提出的方法使数字电路更具通用性和自适应性,从而可以在功率性能范围的两端同时进行优化。

技术共享

为了与世界各地的企业和研究小组共享该团队的新技术,最近该团队发行了一本技术手册,以提供有关处理器,加速器和片上存储器的硅芯片实现的背景和详细信息。还创建了一个自动设计流程,并通过GitHub公开发布了该流程

http://www.green-ic.org/

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“在我们的书中,我们使用商业设计工具介绍和演示了设计方法,这些工具已集成到一个紧密的设计流程中,时钟和数据路径的重新配置结合了即插即用的方式。 我们很高兴以开源的方式共享软件代码,使我们的最新技术能够在商业领域和学术研究中得到大规模和快速的应用。” Alioc副教授说。

技术展望

NUS研究团队目前正在研究开发新型智能硅系统,这些系统可在嵌入到物联网传感硅芯片的AI加速器中实现超宽功率性能的适配。这将推进下一代系统的研发,同时可以以非常出色的计算性能来对外部事件进行相应。

团队致力于通过现有系统架构中的嵌入式技术和设计方法来实现电源性能的适配。这样就可以在不破坏设计生态系统的情况下是实现电源性能上的优势,从而可以快速,大规模地应用于下一代智能系统。

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图片来源于维基百科

技术创新的前提是有充足的能源,未来物联网将是涵盖数以亿记的大网,所有的设备都需要供电,能源将是一个大问题。而且随着设备的增多,将有更多的信息产生,其中包括大量的“垃圾信息”,加剧了能源的消耗和二氧化碳的排放。我们感叹科技拥有如此强大魅力的同时,一些能源损耗问题也要注意了。它是一个机遇,也是一个挑战,在追求产品智能化的时候,请别忘了节能

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