引言

    德州儀器(TI) 于上世紀70 年代推出了微控制器(MCU)，并已在眾多的平臺中運用了此項技術，包括超低功耗MSP430™ MCU 產品系列。MSP430 MCU 十多年來一直是業界超低功耗技術的領先者，而且每一代新型架構皆專注于創造全新的功耗與效率指標記錄。

    MSP430 架構業已提供了僅在需要時才喚醒的智能外設、允許MCU 內部的模塊以不同頻率運作的靈活定時、以及先進的電源管理技術等，這些只是其諸多創新成果中的幾個而已。雖然貴為業界領袖，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最先進的超低功耗技術。

    憑借“金剛狼(Wolverine)”MCU 平臺（因其運用了激進的節能技術而擁有了這一代號），TI 創立了下一代MSP430 架構（見圖1）。這款新型平臺將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新臺階。

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

    圖1：憑借“金剛狼”MCU 平臺（因其運用了激進的節能技術而擁有了這一代號），TI 創建了下一代MSP430 架構，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新臺階。

·      運行模式功耗低至100μA/MHz

·      待機流耗低于400 nA（RTC 和欠壓保護模式）

·      FRAM 每位能耗下降了250 倍

·      可在不到7μs 的時間里從待機模式喚醒至運行模式

    TI“金剛狼”平臺之所以實現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、集成型低功耗非易失性存儲器以及利用先進的電源管理與高精度低功耗模擬組件得以增強的MSP430 原生優勢。

130 nm 超低漏電(ULL) 工藝技術

    鑒于超低功耗器件有99.9% 的時間都處于待機模式，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關鍵因素。低功耗設計的挑戰源于晶體管漏電流的指數性增加（因柵極長度的不斷縮減及柵極氧化物所致）。

    漏電流基于電子在節點之間必須移動的距離，而隨著這個距離的不斷縮小，電子在節點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。對于MCU，漏電流從180 nm CMOS 工藝節點開始變成了一個重要的考慮因素。

    通過其在65 nm、45 nm 和28 nm 工藝節點上設計的GHz 智能手機處理器和數字信號處理器(DSP)，TI 對于較小工藝節點下的漏電流了如指掌，而且TI 的工程師們把學到的有關這些較小工藝幾何尺寸下的漏電流特性的知識，全部都應用到了“金剛狼”的130 nm 工藝中。

    歷史上，MCU 設計人員往往將其創新的著重點放在提高性能和密度上。自1965 年以來，摩爾定律(Moore’s Law) 一直在推動著晶體管和芯片性能的提升。雖然這種改進的步伐在過去的10 年間有所放緩，但工藝技術每18 個月將性能提升一倍的歷史，已經有30 多年了。

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

    結果，與其他130 nm CMOS 工藝相比，各個晶體管的最小漏電流將至少減低10 倍，而運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，同時充分利用工藝尺寸縮小帶來的運行功耗下降優勢。結果是：漏電流減低10 倍，而運行功耗總體下降了15%。

超低功耗的基礎

     為了獲得新型130 nm 工藝技術的最大優勢，TI 對其整個設計工具套件庫進行了全面的重新設計，旨在將著重點集中在功率效率而非高性能上。這些工具套件（包括標準單元庫、電容器、模擬組件和I/O）基于基礎級晶體管配置，其形成了用于設計當今復雜MCU 的主要構件。

    針對130 nm 工藝的新型工具套件具有豐富的模擬組件，以實現諸如高精度模數轉換器(ADC) 等外設和用于大幅降低功耗的內部電源管理電路。例如：“金剛狼”模塊產品組合包括一個每秒鐘能完成20 萬次采樣而流耗僅為75μA 的高精度12 位ADC。同樣，具有日歷顯示和報警功能的實時時鐘(RTC) 模塊能夠以僅僅100 nA 的流耗運行。130 nm 的超低漏電工藝與豐富的混合信號集成相組合，有助實現業界最低的總系統功耗。

先進的電源管理

    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執行定時的效率、高精度模擬外設和通信接口。如欲最大限度地降低各種不同工作負載條件下的功耗，運用先進的電源管理技術是必不可少的。

    “金剛狼”架構提供了MSP430 MCU 電源管理模塊的一種增強型版本。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的電源門控(power gating)，并采用了一個高響應性的自適應穩壓器。在內部，MCU 被分割成了幾個功率域，以使系統能夠根據應用的特殊需求動態地管理器件的每個部分。

    當使系統在盡可能長的時間里處于待機模式時，就最大限度地降低了總體系統功耗。然而，系統每次在待機模式與運行模式之間切換都會產生功耗。特別地，供應給電路的電壓不但達到預期電平而且重新預置子系統或外設，以再度變至運作狀態，都需要時間。在這段時間里，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）。這些喚醒損耗將導致性能下降、響應性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運行”與“待機”模式之間切換的系統中。

圖3：當系統被喚醒時，它將吸取功率而不執行任何有用的任務。這些喚醒損耗將導致性能下降、響應性減慢和功率效率走低，特別是在那些頻繁地在“運行”與“待機”模式之間切換的系統中。

    為了降低喚醒損耗，“金剛狼”采取了一種不同的方法。傳統上，在不用的時候整個模塊或外設都會被關斷。通過采用電源門控控制器，使更多的模塊或外設以一種“保持”模式運行，“金剛狼”改善了功率效率。在該模式中，對那些處于運行狀態并請求時鐘的模塊保持全面供電。而對于那些處于空閑和未用狀態的模塊則施以“保持水平”的供電。這意味著將只對專門用于保持模塊狀態的邏輯電路供電。

電源門控可以在不犧牲性能的情況下實現顯著的節能。設想一個在待機模式中處于使用狀態的定時器。當此定時器主動請求一個時鐘時，電源門控控制器檢測到該請求并把定時器保持于一種全面運行的狀態。然而，一旦定時器功能完成，則將其供電降至“保持水平”，同時維持配置狀態以盡可能地降低功耗。當再次需要定時器時即可快速提供，從而最大限度地減少喚醒損耗。電源門控對于開發人員是透明的，可使他們充分利用業界領先的功率效率，而無須對每個模塊或外設進行手動控制（見圖4）。

圖4：這是以一種簡單的可視化方式顯示的運轉中的先進電源門控功能。將器件中的未使用部分維持于“保持狀態”，從而使它們能以比采用其他架構時快得多的速度喚醒。

    超低功耗MCU需要具備的另一項重要功能是擁有對變化的應用負載做出快速響應的能力。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，即可實現大幅節能。然而，“金剛狼”平臺中的智能電源模塊可自動適應應用負載的變化（比如：當一個高頻模塊上電時），而不需要開發人員以手動的方式調節該功率（見下頁上的圖5）。

操作速度根據以下條件進行調節：

· 應用要求

· 最大可用功率

在低數字功率下具有低穩壓器開銷

圖5：“金剛狼”智能電源管理模塊可自動適應應用負載的變化，從而實現“透明”的功率調節。

    具體而言，負責為MCU 的數字內核供電的自適應低壓降穩壓器(LDO) 可根據需要增加其負載，從而對變化的功率要求做出響應。事實上，“金剛狼”能自動檢測應用的電流需求并根據需要提供時鐘與功率。

圖6：“金剛狼”能自動檢測應用的電流需求，隨后動態地調節自適應LDO 以與應用的功率及定時要求相匹配，從而最大限度地提升功率效率。

    憑借很高的精細度，該LDO 能夠與各種各樣的應用負載相匹配。另外，這種方法還免除了增設諸如緩沖電容器（其在從低負載電流切換至高負載電流時使用）等外部組件的需要。與電源門控一樣，該節能技術同樣以一種對開發人員“無縫且透明”的方式實現了電源管理的自動化。

鐵電隨機存取存儲器(FRAM)

    MCU 程序代碼和主要系統參數通常存儲于非易失性存儲器之中，最常用的是閃存或EEPROM。閃存的寫入速度偏慢，而且功耗高、可寫入次數少，因而不適用于數據存儲。因此，MCU 通常至少具有兩類存儲器：用于存儲代碼的閃存和用于存儲數據的SRAM。

    為了克服閃存的局限性，TI 在“金剛狼”架構中集成了一個全新的非易失性存儲位－鐵電隨機存取存儲器(FRAM)。TI 投資研發FRAM 技術已有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 公司合作生產獨立型FRAM 器件。

    FRAM 與DRAM 很相似，只是它利用一種結晶狀態（而不是電荷）來存儲數據。所以，它具有與DRAM 相似的讀/寫存取和快速周期。

    FRAM 同樣也是一種隨機存取存儲器，其每個位都可個別地讀或寫。此外，FRAM 還采用一種簡單的單步寫過程。這意味著它不需要像使用閃存時那樣在進行寫操作之前進行一次單獨的擦除操作。

    與閃存相比，FRAM 具有很高的效率（見表1）。閃存的寫操作需要10 V～15 V 的電壓和一個充電泵，這增加了幾ms 的充電時間。另外，閃存的寫入還是一種多級操作，期間必須禁用中斷。這一因素使得閃存的塊寫入變得復雜化，因為系統必須將此類寫入劃分為若干個可在其間啟用中斷的較小區塊，這樣就不會丟失關鍵的信號或事件。

表1：非易失性存儲器技術的比較

1 －獨立型EEPROM 寫操作

2 －總功耗

FRAM、SRAM 和閃存的數據代表了器件內部嵌入式存儲器的性能

    與此截然不同的是，FRAM 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行，所以還能在不增加編程復雜性的情況下保持系統可靠性。

     看看非易失性存儲器在汽車信息娛樂系統中的使用情況，FRAM 與閃存的效率對比便能一目了然。當汽車斷電時，需要收集和存儲多種系統數據，以便能夠在汽車重新通電時復原。在系統所保存的這些數據當中，包括了駕駛者和乘客設定的溫度值、收音機預設電臺、GPS 位置和收音機音量等。

    由于汽車并不知道其電源將在什么時候被切斷，因此必須使用一個電容器并在汽車通電時對其進行充電。在寫入數據的過程中，該電容器負責為閃存和MCU 供電。需要保存的數據越多，電容器就越大。此外，閃存相對較慢的寫入速度對于所能保存的數據量也有影響。

     在采用相似電容器的情況下，FRAM 可憑借其高寫入速度和功率效率實現900 倍于閃存的數據存取量。這使得開發人員能夠采用較小（而且較便宜）的電容器，設計不太復雜的系統。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用，包括那些需要實時數據錄入和/或采用能量收集技術的應用。而且，較快的寫操作能力還意味著系統可以在更長的時間里處于睡眠模式。

     不過，使用FRAM 也會影響系統的設計方法。閃存的寫壽命有限（可寫入次數約10 萬次），之后可靠性將開始下降。故此，系統參數常常僅在系統斷電時保存到閃存中。而FRAM 實際上沒有限制的寫壽命（可寫入次數約100萬億次）則可使開發人員重新考慮其存儲系統參數的方式。具體來說，就是可以把所有的數據早早存儲在非易失性FRAM 中（即使在其經常變化時也不例外），而不是把參數存儲在SRAM 中并在斷電時保存至閃存。由于不必主動保存參數且不再需要使用電容器，因此這種方式將更進一步地節省成本。

     系統喚醒也得到了改善。在上述的汽車應用中，上電時無需將設定值恢復至數據存儲器，因為它們已在公用的FRAM 內存空間里提供。對于可用功率嚴重受限的應用（比如那些采用能量收集技術的應用），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和恢復數據消耗功率，因此應用可以使用較小的能量收集電路運作，從而降低系統的復雜性與成本。FRAM 使得開發人員能夠以“延長操作壽命、降低系統成本和提高產品可靠性”的方式重新考慮其系統架構的設計，這里所述只是一個例子而已。

     FRAM 另一項重要功能是可兼用作程序存儲器和數據存儲器。在基于閃存的系統中，根據代碼長度和數據量來優化系統的能力，其受限于MCU 所集成的閃存和SRAM 的數量。

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

    同時，這還使得設計人員能夠采用具有不同于先前可用之內存比(memory ratio) 的較小MCU。此外，TI 還集成了一個存儲器保護單元(MPU)，用于避免數據操作意外改寫系統代碼以及用于提供額外存儲器保護的可鎖式代碼段。

    基于“金剛狼”的器件還將具有一個SRAM 區塊。該存儲器可用于那些真正需要SRAM 的無限制可寫入次數的應用（以滿足特定操作的要求）。該SRAM 區塊亦可用于幫助簡化現有MSP430 MCU 設計方案的移植。

實際的處理效率

     對于超低功耗應用而言，功耗的減半實際上遠比處理器速度的倍增更合乎需要。通過提高系統進入睡眠狀態及從睡眠狀態喚醒的速度，開發人員可在相同的時間和功耗情況下完成更多的處理任務，從而實際上加快了處理速度。這也為開發人員管理其設計中的功率提供了更多的控制手段。針對嵌入式應用，開發人員能夠充分利用基于“金剛狼”的高效率器件并調節至其所需的確切性能水平，而無須使用智能手機級的MCU。

    “金剛狼”器件將與現有的MSP430 MCU 工具和軟件相容，從而使開發人員可充分“享用”無所不包的MSP430 MCU 生態系統。芯片與工具鏈中的內置硬件將幫助開發人員實時跟蹤電能使用狀況（獲得準確的功率分配圖），這樣在估計系統功耗和有效操作壽命時就不再需要依靠猜測了。TI 還將提供專為分析代碼而設計的優化工具，以確保功率效率。

    在過去的10 年里，TI 以開發超低功耗技術為己任。“金剛狼”幫助實現了性能與透明電源管理技術的重大突破，開發人員因此能夠把更多的時間投入到設計其應用的核心功能上，而減少花費在優化功耗上的時間。

“金剛狼”平臺使MCU 的功耗銳減50%，從而真正改變了超低功耗技術領域的面貌。這種高功率效率與低功耗能量收集技術的進步相結合，使業界朝著“無電池世界”又邁近了一步。

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