В мире современных технологий энергопотребление является одним из ключевых факторов, ограничивающих масштабируемость и функциональность устройств. Конференция Hot Chips 2025 предоставила пространство для обсуждения инноваций как в области высокопроизводительных и энергозатратных чипов, так и среди устройств с ультранизким энергопотреблением. Одной из самых ярких разработок стала система на кристалле Everactive PKS3000, способная работать без постоянного внешнего источника питания - исключительно за счёт энергии, собранной из окружающей среды. Everactive уже давно стоит у истоков создания действительно самообеспечивающихся микросхем, ориентированных на сбор данных в огромных сетях IoT. В то время как многие устройства сталкиваются с физическими ограничениями, связанными с прокладкой электропитания или заменой батарей, особенно в труднодоступных местах, решение Everactive предлагает уникальное сочетание автономности и надёжности, обеспечивая работу сенсоров в промышленных условиях без сбоев, вызванных электрическими перебоями.
Однако работа с энергетическим сбором - это не просто альтернатива привычным источникам питания. Это сложный инженерный вызов, требующий оптимизации всех компонентов SoC. Энергия, собираемая из света, температуры, вибраций и других источников, часто измеряется в микроваттах и милливаттах, а её интенсивность значительно колеблется в зависимости от окружающих условий. Это означает, что SoC должна поддерживать крайне низкий уровень энергопотребления и использовать интеллектуальные алгоритмы управления питанием, чтобы максимально эффективно использовать доступную энергию и сохранять стабильность работы. PKS3000 представляет собой интегрированный чип площадью всего 6,7 мм², изготовленный по ультранизкопотребляющему 55-нм техпроцессу.
В основе процессора лежит Arm Cortex-M0+, один из самых энергоэффективных микроконтроллеров с простой двухступенчатой конвейерной архитектурой. Несмотря ограниченное количество памяти - всего 128 КБ SRAM и 256 КБ Flash, SoC способен работать на частоте до 5 МГц при энергозатрате всего 12 микроватт и может снижать энергопотребление до рекордных 2,19 микроватт в режиме минимального энергопотребления. Для сбора данных микросхема может подключаться к разнообразным датчикам, а передача информации осуществляется через оптимизированный по энергопотреблению радио-модуль, поддерживающий Wi-Fi, Bluetooth и 5G. Кроме того, предусмотрен порт расширения для подключения внешних микроконтроллеров и накопителей данных, которые также могут питаться от энергии, собранной с окружающей среды. Ключевым элементом архитектуры является блок управления питанием Energy Harvesting Power Management Unit (EH-PMU), реализующий технологию MISIMO (несколько входов - один индуктор - несколько выходов).
Такой подход позволяет одновременно использовать два различных источника энергии, например солнечные панели и термоэлектрические генераторы, обеспечивая питание четырёх напряжательных линий чипа. EH-PMU применяет технологию Maximum Power Point Tracking (MPPT), что позволяет добывать энергию максимально эффективно, поддерживая оптимальные параметры работы каждого источника. Для компенсации нестабильности собираемой энергии SoC оборудован двумя накопительными конденсаторами: суперконденсатором для долгосрочного хранения и небольшим быстро заряжаемым конденсатором для ускоренного старта после падения напряжения. Даже в условиях слабого освещения (примерно 60 люкс) и низких температур (около 8 °C) система способна инициировать работу, что значительно расширяет область применения в помещениях с недостаточной инсоляцией или на холоде. Система питания чипа распределена между четырьмя выходными линиями с напряжениями 1.
8, 1.2, 0.9 В и регулируемой шиной, что обеспечивает гибкое распределение энергии по элементам микросхемы. Подсистема учёта энергии обеспечивает непрерывный мониторинг и сбор статистики для последующего анализа и оптимизации поведения SoC. Управление энергопотреблением возложено на специально разработанный Energy Aware Subsystem (EAS), который сравнивают с блоками управления питанием в современных CPU, такими как PCU Intel или SMU AMD.
EAS отвечает за масштабирование частоты и напряжения с учётом текущей энергетической ситуации и может работать с различными политиками управления энергопотреблением. Разработчики могут интегрировать свои прошивки для настройки максимальных частот и управления периферией. Особенность EAS в том, что он способен отключать внешние компоненты, которые потребляют чрезмерно много энергии, причём может делать это как в сотрудничестве с внешним устройством, обеспечивая корректное завершение работы, так и принудительно, что значительно усиливает устойчивость всей системы. Одной из инноваций, призванных снизить энергозатраты на связь, стал Wake-Up Radio (WRX) - приемник, остающийся постоянно включенным, но потребляющий микроватты и способный принимать ограниченный набор сообщений. Это позволяет избежать энергозатрат на постоянное подключение к сети и задержек при повторных подключения, с которыми сталкиваются традиционные радиомодули.
WRX использует одну антенну вместе с внешним трансивером, обеспечивая широкий охват частот от 300 МГц до 3 ГГц. В режиме с пассивным приемом без усиления потребляется менее 1 микроватта при чувствительности около -63 dBm, что достаточно для рабочих дистанций до 200 метров. При необходимости дальность можно увеличить более чем до километра за счёт увеличения мощности и многоступенчатого режима пробуждения с тонким управлением временем активности. Для сравнения, обычные Wi-Fi чипы тратят милливатты в режиме ожидания - такой расход энергии для самообеспечивающейся микросхемы неприемлем. Everactive демонстрирует заметно более низкие показатели энергозатрат, что подчеркивает уникальность своей разработки и перспективы внедрения таких решений в промышленности и устойчивых экосистемах.
Развитие PKS3000 в сравнении с предыдущей платформой PKS2001 показывает значительные улучшения: снижение энергопотребления в простое с 30 до 2,19 микроватт, сокращение активного энергопотребления с 89,1 до 12 микроватт при увеличении тактовой частоты и улучшение чувствительности радиомодуля. Переход на 55-нм технологию, оптимизация архитектуры и внедрение продвинутых алгоритмов энергоменеджмента делают этот SoC примером того, как можно решать задачи, которые казались ранее невозможными без крупных батарей или постоянного подключения к электросети. Перспективы применения таких самообеспечивающихся микросхем огромны в сфере промышленного мониторинга, умных городов, экологии и устойчивого развития. Особенно это актуально для сенсорных систем, установленных в местах с ограниченным доступом, где замена батарей или прокладка кабелей невозможны или экономически нецелесообразны. Высокий уровень надежности в сочетании с минимальным энергопотреблением делают SoC Everactive привлекательным решением для задач, требующих автономной и непрерывной работы.
Сопоставление с докладами о мощных AI-системах, потребляющих сотни киловатт электроэнергии, подчёркивает необходимость разработки энергоэффективных и устойчивых технологий. Самообеспечивающиеся SoC не только снижают устаревшие модели потребления энергии, но и способствуют переходу к более экологичным подходам в промышленности и информационных технологиях. Everactive и их PKS3000 демонстрируют, что даже без использования передовых FinFET-узлов можно достичь исключительных результатов в минимизации энергозатрат. В будущем возможно расширение функционала и применение современных техпроцессов, что позволит ещё глубже проникнуть в области маломощной вычислительной электроники и расширить спектр приложений. В итоге, разработка Everactive - убедительное доказательство того, что будущее Интернета вещей и автономных устройств зависит от инноваций в области энергосбережения и интеллектуального управления питанием.
Такой подход не только улучшает опыт пользователей и снижает издержки на обслуживание, но и вносит значительный вклад в устойчивое развитие и заботу об окружающей среде. .
