3G手機技術(shù)發(fā)展與設(shè)計架構(gòu)(4)3G手機面臨嚴苛的低功耗設(shè)計需求-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯G手機技術(shù)發(fā)展與設(shè)計架構(gòu)(4)3G手機面臨嚴苛的低功耗設(shè)計需求-基礎(chǔ)電子新一代的3G手機標榜著更豐富多元的應(yīng)用功能，以及更佳的移動影音效果，這雖是令消費者很期待的訴求，但要落實到手機的設(shè)計上時，除了要在有限空間中塞入更多元件的難題外，也得克服功耗設(shè)計上的瓶頸。過去的語音通話戰(zhàn)友用的運算資源有限，只需采用低時脈的微處理器即可運作，但新的3G多媒體手機中，陸續(xù)整合中的Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、MobileTV等通信功能，將增加射頻／基頻的處理功耗；視頻電話、電視或3D游戲，則會大幅提升應(yīng)用處理器的運算負荷；此外，採用更大的螢?zāi)患案训慕馕龆龋矔斐上到y(tǒng)功耗的沈重負擔。這些，都和多元功能的訴求背道而馳。

如果電池的容量能夠有所突破的話，或許還能疏解手機對電力供應(yīng)上的飢渴需求，但實際的情況是電池供電力雖逐年有提升，但遠遠比不上移動設(shè)備對供電需求的成長。就SIA在2022年更新發(fā)表的技術(shù)發(fā)展藍圖來看，電池供電力與容量平均每年成長1015％，但手機系統(tǒng)的電力需求卻是以每年3540％的需求比例在成長中。在此情況下，手機耗電與電池供電的差距只會不斷地擴大。

在電池電力難以相應(yīng)提升的情況下，手機業(yè)者只好想盡辦法做出功耗的設(shè)計，也就是從節(jié)流的角度，從微小的電晶體層級到晶片電路規(guī)劃、再到系統(tǒng)層級的記憶體讀寫，以及軟、硬件架構(gòu)及演算法等各個面向，一一去做到低功耗、低洩露的省電策略及電源管理模式。以下將從不同的層面來探討3G手機的低功耗設(shè)計議題。

■動態(tài)與靜態(tài)功耗

根據(jù)2022年ITRS（InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors）的預(yù)估，到了2022年時，高效能晶片的電路閘長度（gatelength）等實體性參數(shù)將會比2022年時的數(shù)值縮減一半，但同時這些晶片的供電需求也將會增加。在發(fā)展藍圖的結(jié)論中指出：「耗電的增加來自于更高的晶片作業(yè)頻率、更高的互連總體電容及電阻，以及由級數(shù)成長的晶片中電晶體增加的電路閘洩漏?！?/p>

要了解電子系統(tǒng)的耗電議題，需從動態(tài)功耗（DynamicPower）和靜態(tài)功耗（StaticPower）兩個面向來看。一個半導體元件的耗電，即是這兩項功耗的加總：

Ptotal＝Pdynamic＋Pstatic

其中動態(tài)功耗是在運作模式中產(chǎn)生的功耗，此時信號值在切換、類比電路處于改變狀態(tài)，也就是此元件正在操作某項應(yīng)用功能，它可定義為：

Pdynamic＝Capacitance×Voltage2×Frequency

從這個方程式中我們可以看出，動態(tài)功耗來自于負載電容充放電和電流的切換，其中電壓與功耗是平方關(guān)系，對功耗的直接影響，也就是說電壓愈高，相對的功耗也會以級數(shù)上升；高速的頻率同樣也是提升功耗的殺手。因此降低電壓與時脈是節(jié)省動態(tài)功耗的基本策略。

靜態(tài)功耗則是當元件處于待機狀態(tài)時產(chǎn)生的功耗，可表示如下：

Pstatic＝f（leakagecurrent）

靜態(tài)功耗是洩露電流狀況的涵數(shù)，它和使用的制程、晶片尺寸和電晶體中的電壓有密切關(guān)系。當元件處于待機休眠狀態(tài)時，電路本身難以避免會產(chǎn)生微小的電流釋放，造成持續(xù)性的耗電。在過去的微米時代，動態(tài)功耗是手持設(shè)備耗電的主因，靜態(tài)功耗的影響極微，但隨著制程的微縮，靜態(tài)的洩露電流持續(xù)上升，在進入90奈米后，靜態(tài)功耗的提升更為快速，已是不容忽視