萬物互聯時代來臨，為因應不同需求，物聯網設計需要權衡功耗、成本、傳輸性能等要素。其中，低功耗能為物聯網帶來的價值逐漸受到重視，成為新世代物聯網的設計關鍵。
低功耗設計關鍵技術
(承前文)物聯網邊緣裝置內部的底層晶片基本上會執行三大關鍵功能：感測、處理及通訊。市場對物聯網裝置高效能、長電池壽命和移動性的需求不斷增加，也因此重新激起業界對低功耗設計的濃厚興趣。
針對低功耗進行設計時，可採用多項技術：
時脈閘控(Clock Gating)
於邏輯合成(Logic Synthesis)期間執行，具備「致能(Enable)」輸入的正反器(Flip-flop)會被優化做時脈閘控結構。該技術減少對多功器(Multiplexers)的需求以節省大量面積，並減少整體開關活動，盡量降低動態功耗。
多電壓域(Multi Voltage Domain)
利用此技術，可根據性能特性將晶片功能區分至不同電壓域的區塊(Block)，並依照實際應用來考量晶片各區域的電壓高低需求，以達成最佳執行成果，而不必將整個區域歸類為高性能。這將有助於降低動態和靜態功耗。
電源閘控(Power Gating)
與晶片/系統層級的多電壓方法類似，IC中的功能會根據其電源域區分為多個區塊。電源閘控可有效地完全關閉區塊電源，實現靜態及動態節能。
狀態保留暫存器(Register Retention)
通常與電源閘控技術一起使用。區塊關閉時，其中的正反器子集或所有正反器皆保存其先前的數值，並於啟用時恢復該數值。減少恢復區塊原始狀態所需的時間和步驟，既可以節省功率，也能改善整體啟動時間。
除上述技術並將其組合使用外，尚有許多更先進的技術可協助實現低功耗設計，例如製程節點選擇、選用客製化處理器以獲得更高效能、良好偏壓(Well Biasing)、無接腳狀態保留正反器(Zero-pin Retention Flops)、耦合系統差異部分、動態電壓頻率調節(DVFS)，以及自適化電壓和頻率調節(AVFS)等。舉例來說，現今許多處理器的模塊，會使用具備較低電壓和電源閘控的模塊，並搭載絕緣、保存和電壓/電平轉換器(Level Shifter)。
最新無線網路解決方案
如今，無線網路應用上已發展出多項協定。每一項協定針對不同應用皆有其獨特優勢，系統設計人員可依據需求進行選擇。其中，有些協定是基於低處理能力無線技術(例如低功耗藍牙)，可降低功耗和成本，同時保持與傳統藍牙相似的功能範圍。
根據IEEE 802.15.4 標準規範，其中的Zigbee和Thread兩種協定可提供短距離的低資料速率連結，並且與其他專有協定一起取得顯著進展。不同標準可能具有不同的管理標準和功能，包括安全、定位服務和音訊，不過基本上，它們都支援更大頻寬、更多裝置互連等日益成長的需求。幾乎所有最新SoC設計皆以最快速度採用更新的無線標準，例如Wi-Fi 6，以利於在壅塞區域提供更快的速度和更好的效能。
隨著Wi-Fi 6E逐漸普及、更先進的Wi-Fi 7可望在不久後的未來問世，新技術開創出前所未見的高速頻寬創新和發展空間，亦催生了對低功耗的全新要求。
IP加速IoT SoC設計
目前有多種選擇可以評估如何最大化資料流量(Throughput)，並讓設計團隊能夠在功耗、面積、成本或效能之間進行權衡。從處理器、編譯器、RAM、基礎IP到介面IP都將具備節能功能，並根據終端應用需求作出不同取捨。
既有的IP解決方案能夠幫助設計團隊加速開發物聯網產品，例如新思科技(Synopsys)的全方位IP解決方案Synopsys DesignWare IP可讓SoC團隊更快速地實現物聯網設計需求，並顯著降低風險。該產品組合包括經過晶片驗證的有線和無線介面IP、資料轉換器、安全IP、低功耗嵌入式記憶體和邏輯庫(Logic Libraries)、高能效處理器核心，以及整合式IP子系統。
新思科技在IP品質和全面技術支援方面廣泛投資，讓更多業者能夠採用適合的設計工具。基於最新的配置和業界標準，新思科技持續支援產業對PCIe、USB和DDR等高速協定的需求，同時為先進物聯網SoC設計提供最高層級的安全性解決方案。
低功耗擘劃物聯網未來
我們正在見證物聯網技術的長足進步和攜帶式裝置的功能擴展，5G網路的擴增部署以及對人工智慧和自動化的需求成長，將使設計團隊在SoC設計技術改良、設計優化以及工具客製化等方面挹注更多投資。
無所不在的連結將驅動物聯網設計的規畫藍圖，並對尋找有效方法在全球各地提升營運效率、能源使用情況和整體生活品質產生重大影響。藉由不斷優先考量物聯網應用的低功耗設計和延長電池壽命的方法，每天為智慧裝置充電的煩人瑣事或許將成為歷史。
(本文作者為新思科技資深產品經理)
低功耗：新世代物聯網設計關鍵(1)
低功耗：新世代物聯網設計關鍵(2)