Hot Chips 2025 вновь стал площадкой для демонстрации передовых достижений в полупроводниковой индустрии, привлекая внимание специалистов и энтузиастов высоких технологий. Среди множества презентаций, посвящённых энергозатратным процессорам и мощным системам ИИ, особое место занял доклад компании Everactive, представившей своё решение - самопитающийся System on Chip (SoC) PKS3000. Эта разработка объявляет собой новый этап в эволюции микросхем для Интернета вещей (IoT), способных функционировать без необходимости постоянного внешнего источника питания. Возможности и перспективы таких устройств вызывают живой интерес не только у профессионалов отрасли, но и у инвесторов, занимающихся экологическим устойчивым развитием и масштабируемыми IoT-проектами. Everactive сфокусировалась на создании микросхем, которые используют энергию, собираемую из окружающей среды - от солнечного света до температурных градиентов.
Традиционные IoT-устройства обычно нуждаются в регулярной замене батарей или подключении к электросети, что ограничивает их применение и усиливает эксплуатационные затраты. Самопитающиеся SoC помогают избежать этих проблем, позволяя устанавливать датчики в труднодоступных местах, где невозможно или экономически нецелесообразно использовать проводное питание или обслуживать батареи. Более того, такие устройства способствуют снижению углеродного следа, что является весомым аргументом с точки зрения устойчивого развития. PKS3000 разработан на технологическом 55-нм процессе с ультранизким энергопотреблением (ULP). Его площадь составляет всего 6,7 мм², что говорит о компактности и эффективном использовании кремния.
Несмотря на небольшой размер и минимальное энергопотребление, SoC работает на частотах до 5 МГц с потреблением всего 12 микроватт в активном режиме и может опускаться до 2,19 микроватт в режиме ожидания. Это не просто технические показатели - это качественно новый уровень крошечного энергобюджета, позволяющий устройству работать непрерывно, собирая и передавая данные. По процессорной части PKS3000 оснащён ядром Arm Cortex M0+, одним из самых энергоэффективных в линейке Arm. Этот микроконтроллер предназначен для базовых вычислительных задач с простым двухступенчатым конвейером, что снижает сложность и энергопотребление. Встроенная память включает 128 КБ SRAM и 256 КБ flash-памяти - значения, которые могут показаться скромными по сегодняшним меркам, но абсолютно достаточны для оптимизированных программ и сбора сенсорных данных.
Интересен факт, что по объёму памяти этот чип уступает классическому IBM PC 1980-х годов, однако при этом работает значительно быстрее и с в разы меньшим энергопотреблением. Ключевой частью SoC является модуль управления энергопитанием EH-PMU (Energy Harvesting Power Management Unit). Он реализован на базе топологии MISIMO - multiple input, single inductor, multiple output. Это означает, что микросхема способна одновременно собирать энергию из двух различных источников и питать при этом четыре выходных канала. В качестве источников энергии компания Everactive предлагает использовать солнечные панели (фотоэлектрические элементы) и термоэлектрические генераторы (TEG), которые преобразуют разницу температур в электрический заряд.
Кроме того, архитектура SoC позволяет адаптироваться под альтернативные источники - электромагнитное излучение, вибрации, поток воздуха и др. Для повышения эффективности сбора энергии в EH-PMU внедрён механизм максимальной точечной подзарядки (MPPT). Он балансирует напряжение, получаемое с каждого источника, подбирая оптимальные параметры, чтобы получить максимально возможную мощность. Поскольку природные энергоисточники обладают переменной и зачастую нестабильной выходной мощностью, в системе предусмотрено хранение энергии в двух конденсаторах: суперконденсатор отвечает за длительное накопление, обеспечивая стабильность работы в неблагоприятных условиях, а меньший конденсатор быстро заряжается, что ускоряет процесс запуска после выключений или падений напряжения. Самопитающийся SoC обладает несколькими выходными линиями питания с напряжением 1,8 В, 1,2 В, 0,9 В и настраиваемой линией.
При достаточном энергетическом ресурсe эти линии обеспечивают питание различных блоков SoC, а при падении мощности переключаются на накопленную энергию из конденсаторов, что позволяет избежать сбоев и обеспечить надежную работу. За контроль энергопотребления и балансировку питания отвечает подсистема Energy Aware Subsystem (EAS). Эта подсистема выполняет задачи, аналогичные блокам управления питанием в мощных процессорах - Intel PCU или AMD SMU, но с более жёсткими требованиями и расширенной функциональностью. EAS управляет частотой и напряжением процессора и периферийных модулей с помощью различных политик, заданных прошивкой. Также она контролирует подключённые внешние устройства, имеющие собственное энергопотребление, и может отключать их при необходимости для сохранения критически важного заряда.
Это важное отличие, так как в классических ПК отключение периферии редко осуществляется автоматически и независимо от системы, в то время как для Everactive это жизненно необходимо для предотвращения частых сбоев при недостатке питания. EAS поддерживает режим "ожидание с пробуждением" (Wait-for-Wakeup), позволяющий устройству переходить в сверхнизкое энергосостояние с возможностью быстрой реакции на события окружающей среды или активности датчиков. Такой режим оптимален для устройств, собирающих данные с минимальной частотой, позволяя значительно снижать энергопотребление без потери актуальности информации. Важным элементом системы связи Everactive является так называемое "пробуждающее" радио (Wake-Up Radio, WRX). Радиочастотное общение является одним из самых энергозатратных процессов в IoT-устройствах, особенно при поддержке постоянного подключения к сети.
WRX представляет собой низкоэнергетический приёмник, постоянно прослушивающий канал на предмет сигналов пробуждения. В отличие от классической технологии duty cycling, где радио включается и выключается с заданной периодичностью для экономии энергии, wake-up радио позволяет устройству оставаться активным с минимальной мощностью, реагируя только при получении сигналов. WRX делит антенну с коммутационным модулем, обеспечивая частотную настройку от 300 МГц до 3 ГГц. Это позволяет использовать широкий спектр стандартов с соответствующими сетками согласования. Базовый режим работы с пассивным путём без усиления обеспечивает работу всего с 1 микроваттом при чувствительности до -63 дБм и радиусе около 200 метров - оптимально для промышленных условий с ограниченным радиусом действия.
Для дальних дистанций (более 1000 м) используется усиленный режим с чувствительностью до -92 дБм при средней мощности порядка 6 микроватт. Благодаря многоступенчатому пробуждению и точным алгоритмам управления энергопотреблением, WRX достигает впечатляющей эффективности, значительно превосходя даже современные Wi-Fi адаптеры, работающие на милливаттном уровне потребления. Показатели PKS3000 можно считать впечатляющими особенно в сравнении с другими устройствами на рынке. Например, Wi-Fi 6 AX201 от Intel, при схожей чувствительности, продолжает работу в режиме ожидания с потреблением порядка 1,6 мВт, что в тысячи раз превышает энергозатраты микросхемы Everactive. Это ярко подчёркивает вызовы и возможности, стоящие перед разработчиками самопитающихся систем.
Отличия и улучшения по сравнению с предыдущей версией PKS2001 также значительны. Новая модель не только уменьшила энергопотребление на порядок, снизив минимальное потребление с 30 микроватт до 2,19 микроватт, но и повысила тактовую частоту, улучшила чувствительность радиомодуля и оптимизировала архитектуру. Переход с 65 нм техпроцесса на 55 нм ULP-узел дал существенный прирост эффективности, но ключевым остаются архитектурные инновации и интеграция продвинутых систем управления энергией. Применение Everactive PKS3000 видится наиболее перспективным в промышленном мониторинге, где сбор информации с многочисленных сенсоров играет ключевую роль в обеспечении безопасности и эффективности производства. Возможность исключить необходимость замены батарей и автономное питание от окружающей среды позволит существенно снизить эксплуатационные расходы и повысить надежность систем.
В более широком контексте развития полупроводниковых технологий, решения Everactive демонстрируют, что топовые узлы технологий и суперэнергосберегающая архитектура могут гармонично сочетаться в компактных устройствах. Несмотря на отсутствие по-настоящему передовых FinFET-технологий, SoC PKS3000 достигает выдающихся результатов благодаря идеям оптимизации и соответствию требованиям специфического класса устройств. С одной стороны, такие микросхемы не могут конкурировать по вычислительной мощности с современными процессорами для ИИ или мобильных устройств, однако уникальность их назначения, с фокусом на минимальное энергопотребление и автономность, открывает новые горизонты применения. За счет технологии сбора энергии из окружающей среды и продвинутому энергоменеджменту, самопитающиеся SoC могут кардинально изменить представление о масштабируемости и устойчивости IoT-систем. Пока такие подходы в основном ориентированы на промышленный сектор, есть пространство для расширения спектра применения - начиная от умных городов и заканчивая аграрными комплексами и даже одеждой с носимыми датчиками.
При улучшении технологических процессов и дополнительных инвестициях, возможно движение в сторону использования более современных узлов, что позволит повысить функциональность и интеграцию. На фоне общемировых тенденций к увеличению мощностей дата-центров и роста энергопотребления искусственного интеллекта, экологическая составляющая Everactive приобретает особую значимость. Устройства с нулевым энергопотреблением от внешних источников, работающие исключительно за счёт энергии окружающей среды, могут стать важнейшим элементом стратегии устойчивого развития и цифрового перехода. Hot Chips 2025 показал, насколько разнообразным и многогранным становится мир современных микросхем - от мегаваттных решений для ИИ до микроваттных шедевров для автономного Интернета вещей. Everactive со своим PKS3000 уверенно занимает позицию лидера в направлении нулевого энергопотребления и инновационного использования энергии окружающей среды.
В будущем такие технологии обязательно найдут своё место в повседневной жизни, развивая концепцию "умных" и экологичных устройств нового поколения. .
