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看電源管理IP如何顯著提升SoC能效

發(fā)布時(shí)間:2018-10-12 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】SoC性能指標(biāo)正在發(fā)生變化,從純性能指標(biāo)(GHz或MIPS)轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅苄屎妥畹凸?。這一對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)設(shè)備至關(guān)重要的新指標(biāo)正成為汽車,嵌入式系統(tǒng)等各種應(yīng)用的關(guān)鍵。SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以利用硅IP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電源管理,并且可以從經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師提供的技術(shù)支持中獲益,從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間(TTM)和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本。
 
能效在半導(dǎo)體行業(yè)中成為關(guān)鍵
 
當(dāng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地插入墻壁以接收電力時(shí),復(fù)雜芯片產(chǎn)生的功耗不是真正的問(wèn)題。最重要的功能是原始性能,以GHz或MIPS表示。然而,隨著2000年及以后無(wú)線移動(dòng)設(shè)備的大量采用,該指標(biāo)趨于發(fā)生變化。對(duì)于電池供電的設(shè)備,兩次電池充電之間的時(shí)間幾乎與智能手機(jī)的MIPS電量一樣重要。
 
現(xiàn)在,讓我們退后一步,將半導(dǎo)體(和電子)行業(yè)視為功耗的來(lái)源,包括服務(wù)器,存儲(chǔ),高功率計(jì)算(HPC),有線網(wǎng)絡(luò),4G和5G基站,這些應(yīng)用都需要高性能。半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)和半導(dǎo)體研究公司(SRC)在2015年發(fā)布了“重啟IT革命:行動(dòng)起來(lái)”報(bào)告,其中包括下圖:
 
看電源管理IP如何顯著提升SoC能效
圖1:計(jì)算的總能耗(來(lái)源:SIA)
 
顯然,數(shù)據(jù)中心是能耗大戶,其他應(yīng)用能耗(如汽車和物聯(lián)網(wǎng))也在提升,大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)IC都是在邊緣系統(tǒng)中。事實(shí)上,現(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)接受將計(jì)算能力(CPU或DSP)納入邊緣系統(tǒng)的需求,因?yàn)橄蛏贤扑蛿?shù)據(jù)(到物聯(lián)網(wǎng)主站)和向下傳輸數(shù)據(jù)(一旦處理完數(shù)據(jù))顯然不是正確的選擇。而對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車等系統(tǒng),會(huì)出現(xiàn)不可接受的延遲:
 
本文中,我們將討論在成熟技術(shù)節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)的IC的多種應(yīng)用(與最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn),如14/16 nm,10 nm或7 nm相對(duì)應(yīng)),在物聯(lián)網(wǎng),汽車,消費(fèi)電子等可能是也可能不是電池供電的。我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)是:降低IC功耗,同時(shí)保持性能,縮減開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本,使用相同的IC,無(wú)需電源管理工作,識(shí)別潛在問(wèn)題(噪聲容限,串?dāng)_等)。本文提出的解決方案可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),對(duì)TTM,成本和正確的功能沒(méi)有任何影響。
 
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圖2:應(yīng)用中的電源問(wèn)題
 
降低SoC功耗的各種解決方案
 
如上所述,自2000年以來(lái),無(wú)線移動(dòng)行業(yè)一直是電源管理技術(shù)的先驅(qū)。負(fù)責(zé)應(yīng)用處理器SoC的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)(如TI的OMAP,其次是高通,三星,蘋(píng)果等)已經(jīng)在系統(tǒng)級(jí)手機(jī)上實(shí)施了電源管理策略。電源管理技術(shù)非常復(fù)雜,以至于他們很快意識(shí)到在內(nèi)部電源管理功能(電源管理IC或PMIC)之上需要外部器件。這里的各種解決方案將在SoC內(nèi)部實(shí)施,不需要PMIC,因?yàn)槟繕?biāo)是保持成本與使用PMIC之前相同或更低的水平。
 
這里回顧一下可以降低SoC功耗的各種技術(shù)。
 
電源域管理
 
在實(shí)施任何特定的電力網(wǎng)絡(luò)IP或配電策略之前,首先要考慮定義電源域。請(qǐng)記住,電源域?qū)⒏鶕?jù)SoC中的功能塊進(jìn)行定義。一個(gè)功能塊可以涉及不同類型的單元,例如CPU和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元塊,它們一起與SRAM存儲(chǔ)器鏈接。這些模塊可以在不同的電壓下從不同的電源獲得電能。
 
定義了各種域,目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)特定功率域的特定功率分配,并創(chuàng)建功率島。每個(gè)域可以與SoC的其余部分隔離并斷電(或上電),而不會(huì)影響其他電源域。我們將在本文后面看到如何部署此電源管理策略。
 
動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)(DVFS)
 
動(dòng)態(tài)功耗由以下公式表示:
 
看電源管理IP如何顯著提升SoC能效
 
這里:
 
看電源管理IP如何顯著提升SoC能效
 
電源電壓和頻率的組合對(duì)總功耗具有立體影響,因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗具有對(duì)電壓的二次依賴性和對(duì)頻率的線性依賴性。智能節(jié)電解決方案可降低工作頻率,同時(shí)降低電源電壓。
 
主要思想是在給定頻率下盡可能降低電源電壓,同時(shí)仍保持某些功能的正確操作。電壓只能下降到某個(gè)臨界水平,超過(guò)此水平就會(huì)出現(xiàn)定時(shí)故障。
 
在應(yīng)用每功能DVFS方法時(shí),假設(shè)已定義了每功能電源/時(shí)鐘域并實(shí)施了附加電路,SoC全局功耗可以明顯降低,同時(shí)保持性能相同或更好,以便當(dāng)其它功能保持靜默時(shí)需要用的功能可以正常運(yùn)行(即:降低電壓)。
 
筆記本電腦,服務(wù)器和移動(dòng)設(shè)備廣泛采用動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)(DVFS)來(lái)節(jié)約能源,而DVFS在其他應(yīng)用(汽車,消費(fèi)電子......)的早期階段仍處于起步階段。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,DVFS具有顯著的節(jié)能潛力。DVFS只是控制CMOS電路動(dòng)態(tài)功耗的幾種方法之一。我們必須記住,它的使用會(huì)帶來(lái)一系列驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn),但DVFS在降低動(dòng)態(tài)模式下的SoC功耗方面非常有效。
 
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圖3:能耗(動(dòng)態(tài)和漏電)與電壓的關(guān)系
 
接近閾值電壓
 
總功率是靜態(tài)或泄漏功率和動(dòng)態(tài)功率的總合。隨著電壓朝向晶體管閾值電壓(Vt)下降,開(kāi)關(guān)功率降低但同時(shí)漏電流增加。這意味著必須找到泄漏和開(kāi)關(guān)電源之間的最佳組合,如圖3所示。
 
接近閾值電壓(NTV)將在提供最小能量的電壓范圍內(nèi)選擇(參見(jiàn)圖3),同時(shí)保持功能域工作。NTV是一種出色的電源管理技術(shù),在能效(EE)方面給出了非常好的結(jié)果,如圖4所示。這些結(jié)果來(lái)自對(duì)Intel Pentium的測(cè)量,我們可以注意到,0.45 V(接近閾值) ),EE達(dá)到每瓦5830 Mips,與額定電壓(1.2 V)為1240 Mips / Watt的EE進(jìn)行比較。第一個(gè)缺點(diǎn)可以在同一圖中看到:在標(biāo)稱電壓(1.2 V)下,芯片頻率達(dá)到915 MHz,而在NTV(0.45 V)時(shí),它只有60 MHz。
 
NTV可提供出色的結(jié)果(功耗和能效),特別是在睡眠或觸發(fā)模式下,因?yàn)镾oC無(wú)需在此類模式下運(yùn)行完整性能,例如物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算或永遠(yuǎn)在線傳感器。
 
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圖4:能效與功能電壓
 
其他技術(shù):體偏置,GALS,......
 
GALS技術(shù)用于最大時(shí)鐘域管理效率。應(yīng)使用單向雙同步設(shè)備(如FIFO)實(shí)例化跨時(shí)鐘邊界,從而在不需要握手的情況下實(shí)現(xiàn)最佳延遲。可以沿著互連內(nèi)的任何鏈路劃分時(shí)鐘邊界,并且可以繞過(guò)GALS元件進(jìn)行同步操作。
 
電源和電壓域由電隔離層隔開(kāi),并且應(yīng)使用斷開(kāi)技術(shù)關(guān)閉各個(gè)功能塊。當(dāng)電源域關(guān)閉時(shí),特定功能塊必須保持狀態(tài)時(shí),應(yīng)插入保留寄存器。
 
總之,GALS是一種高效但非常苛刻(在工程級(jí)別)的電源管理方法,它涉及特定的設(shè)計(jì)知識(shí)和應(yīng)用現(xiàn)有EDA工具的技巧。因此,在實(shí)施其他技術(shù)(如時(shí)鐘門(mén)控,電源域管理或DVFS)后,應(yīng)考慮GALS。
 
體偏置是一種芯片管理技術(shù),可以根據(jù)施加到芯片有源部分的電壓施加的襯底偏置電壓來(lái)降低功耗或提高性能。雖然理論上可以對(duì)任何襯底施加電壓,包括體積,但體偏置主要用于絕緣體上硅(SOI)晶圓。完全耗盡的SOI(FD-SOI)技術(shù)已經(jīng)引起了幾年的關(guān)注,幾家代工廠(三星,GlobalFoundries)和IDM(意法半導(dǎo)體)正在提供28 nm,22 nm和14 nm的ASIC功能。針對(duì)FDPower SOI技術(shù)的ASIC設(shè)計(jì)并不一定比散裝更復(fù)雜,但生態(tài)系統(tǒng)目前正致力于提供EDA工具和IP支持體偏置。
 
影響SoC完整性的各種電源問(wèn)題
 
為了滿足激進(jìn)的功率預(yù)算目標(biāo),設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能別無(wú)選擇,只能以極低的功率運(yùn)行,其直接影響是增加了關(guān)鍵信號(hào)對(duì)電磁(EM)串?dāng)_效應(yīng)的敏感性。
 
由于低功耗SoC具有小得多的噪聲容限,因此,開(kāi)關(guān)活動(dòng)可能導(dǎo)致電源傳輸網(wǎng)絡(luò)(PDN)振鈴并對(duì)芯片性能產(chǎn)生不利影響。
 
在今天的設(shè)計(jì)中,時(shí)鐘和配電網(wǎng)絡(luò)是集成電路故障的主要貢獻(xiàn)者,例如抖動(dòng),時(shí)鐘偏移,電遷移,耦合噪聲和功率分布下降。因此,性能和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避都取決于時(shí)鐘和配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性,使得感應(yīng)和磁效應(yīng)的精確建模成為基本要求。
 
例如,一個(gè)給數(shù)字模塊供電的配電網(wǎng)絡(luò),該數(shù)字模塊具有高電流需求和非??斓拈_(kāi)關(guān)活動(dòng)(即,在非??斓乃矐B(tài)中吸收高電流峰值)。這樣的活動(dòng)將導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)(PDN)上的振鈴,其與電感(L)和切換活動(dòng)的速率(di / dt)成比例。隨著開(kāi)關(guān)活動(dòng)的增加,通過(guò)與PDN的耦合,振鈴的幅度將增加,以及關(guān)鍵或敏感的高頻或非常敏感的模擬信號(hào)上的噪聲水平。另一個(gè)挑戰(zhàn)是在模式轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生的低頻噪聲,這可能產(chǎn)生功能問(wèn)題。
 
功率包括動(dòng)態(tài)功率和漏電功率。動(dòng)態(tài)功率取決于總負(fù)載電容,電源電壓和工作頻率。降低任何這些參數(shù)都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)功耗降低。但PDN的一種常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法是插入足夠的分頻來(lái)過(guò)濾網(wǎng)絡(luò)上的尖峰,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)噪聲會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘邊緣出現(xiàn)大電流尖峰。當(dāng)輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間期間CMOS柵極的NMOS和PMOS通道同時(shí)導(dǎo)通時(shí),漏電功率是由電源和地之間的電流路徑引起的。
 
為了確保您的SoC設(shè)計(jì)不會(huì)受到電源或時(shí)鐘相關(guān)問(wèn)題的影響,您必須從經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師提供的技術(shù)支持中受益。與模擬設(shè)計(jì)一樣,沒(méi)有任何東西可以取代經(jīng)驗(yàn)。
 
在客戶的SoC中使用電源管理IP
 
實(shí)現(xiàn)電源域識(shí)別
 
我們首先需要定義SoC電源架構(gòu),因?yàn)檫@種架構(gòu)可以隨功能架構(gòu)變化。這將是設(shè)計(jì)人員識(shí)別屬于同一電源域的各種功能的首要任務(wù)。該功率域不是簡(jiǎn)單地由電壓定義,而是與在給定功率模式下預(yù)期成為相同任務(wù)的一部分的各種塊的功能相關(guān)。
 
假設(shè)已經(jīng)定義了這種功率架構(gòu),SoC現(xiàn)在被劃分為N個(gè)域(N在5甚至更廣的范圍內(nèi))??梢葬槍?duì)電壓供應(yīng)(Vdd1至VddN)獨(dú)立地監(jiān)控這些域中的每一個(gè),且設(shè)計(jì)者可以在SoC級(jí)實(shí)現(xiàn)功率分配和功率活動(dòng)控制,在這種情況下,用于每個(gè)Vddn的獨(dú)立電網(wǎng)。在這個(gè)階段,Dolphin Integration可以提供由經(jīng)驗(yàn)豐富的SoC Architectural Experts(SAE)工程師提供的技術(shù)支持。這些工程師不是簡(jiǎn)單的FAE,他們還在內(nèi)部管理電源管理實(shí)施,在內(nèi)部通過(guò)我們?yōu)榭蛻簦ㄔO(shè)計(jì)服務(wù))開(kāi)發(fā)的SoC。其電源管理IP最多支持128個(gè)電源域。
 
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圖5:SoC中的電源域
 
電源門(mén)控、控制和分配
 
在專家工程師的幫助下,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)定義了各種電源域,現(xiàn)在是時(shí)候定義SoC電源架構(gòu),并在芯片中實(shí)現(xiàn)電源和時(shí)鐘分配。應(yīng)為每個(gè)電源域供電,插入電源門(mén)控以控制該域。通過(guò)開(kāi)發(fā)的專利的電源島電源門(mén)控設(shè)備(名為CLICK),以及電壓域接口(VDIC),專家將幫助團(tuán)隊(duì)在各種電壓調(diào)節(jié)器(LDO和DC-DC)中選擇合適的方案,并將其組織為預(yù)先配置的硅IP庫(kù)。
 
我們還提出了一個(gè)支持高達(dá)5.5 V的過(guò)壓保護(hù)模塊。為了為該域提供時(shí)鐘,客戶將受益于超低功耗時(shí)鐘IP(名為Gamma)。使用正確的時(shí)鐘和配電設(shè)備至關(guān)重要,因?yàn)?ldquo;時(shí)鐘和配電網(wǎng)絡(luò)是集成電路故障機(jī)制的主要貢獻(xiàn)者,如抖動(dòng),時(shí)鐘偏移,電遷移,耦合噪聲和功率分布下降”,如上所述!
 
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圖6:電源門(mén)控,控制和分配
 
芯片級(jí)SoC設(shè)計(jì)人員將選擇控制電源開(kāi)關(guān),VREG或體偏置發(fā)生器和時(shí)鐘,電源網(wǎng)絡(luò)IP端口的所有部分,為SoC內(nèi)核供電。由于采用模塊化IP解決方案(名為MAESTRO),SoC電源模式控制的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。這些單元是精心設(shè)計(jì)的模塊,集成了內(nèi)置沖突管理功能,可防止SoC操作和轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)故障。
 
如果SoC設(shè)計(jì)用于本機(jī)閾值電壓(NTV)或DVFS操作,則集成IP產(chǎn)品組合在睡眠或工作模式下設(shè)計(jì)為具有本機(jī)NTV和DVFS支持,如圖6所示。
 
通過(guò)遵守結(jié)構(gòu)和裝配規(guī)則(命名為DELTA規(guī)則),確保了我們集成的完整電源管理IP產(chǎn)品的一致性。SoC設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)采用類似的規(guī)則來(lái)利用他們自己的VREG的內(nèi)部開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的SoC集成。
 
集成電源管理IP允許提供on-SoC電源傳輸和電源模式控制,主要目標(biāo)是提供各種專家級(jí)的IP和技術(shù)支持,以實(shí)現(xiàn)節(jié)能(EE)SoC的最安全設(shè)計(jì)。由于我們工程師的這種專業(yè)知識(shí),毫無(wú)疑問(wèn),與同一SoC的開(kāi)發(fā)時(shí)間表相比,這種SoC設(shè)計(jì)將是最快的,因?yàn)殡娫垂芾硎怯稍O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首次集成而沒(méi)有任何支持。我們有信心保證這一最快的TTM能夠幫助客戶決定構(gòu)建節(jié)能SoC,以應(yīng)對(duì)像物聯(lián)網(wǎng)這樣的新興市場(chǎng)以及能源效率需求變得至關(guān)重要的成熟市場(chǎng)(汽車,消費(fèi)電子......)。
 
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圖7:完整的電源管理IP集
 
時(shí)鐘分配
 
我們的時(shí)鐘IP允許實(shí)現(xiàn)始終在線的電源域,能夠在32 kHz接近閾值電壓下工作。根據(jù)目標(biāo)時(shí)鐘精度,時(shí)鐘源可以是基于晶體的或基于RC的。RC和XTAL振蕩器也可以組合在一起,以確保RC振蕩器的快速啟動(dòng),然后在運(yùn)行后切換到XTAL振蕩器。
 
由于RAM的電流保持與電壓成比例,因此將始終接通電源域的操作盡可能接近RAM(MDRV)的最小數(shù)據(jù)保持電壓,可確保SoC睡眠模式下的最低功耗。我們的穩(wěn)壓器庫(kù)包括一個(gè)超低靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)器,其可編程輸出電壓低至0.6 V,其參考電壓不超過(guò)150 nA。
 
有效實(shí)現(xiàn)電源管理所需的專業(yè)知識(shí)
 
如前所述,重要的是重新評(píng)估這一點(diǎn),在處理電力(控制,門(mén)控或分配)時(shí),專業(yè)知識(shí)是關(guān)鍵。那些參與SoC數(shù)字設(shè)計(jì)的人集成了一些模擬功能,他們知道在集成模擬時(shí)必須非常小心!我不僅討論模擬設(shè)計(jì)(這顯然是專家的任務(wù)),而且還涉及時(shí)鐘和功率分配,以及信號(hào)完整性保護(hù)。電源管理實(shí)施非常相似,只有專有技術(shù)和專業(yè)知識(shí)才能保證第一次正確的設(shè)計(jì)。
 
這就是為什么我們?cè)赑M專家提供的技術(shù)支持的基礎(chǔ)上,嘗試通過(guò)開(kāi)發(fā)成熟的方法來(lái)進(jìn)一步幫助他們的客戶,這轉(zhuǎn)化為特定于電源管理的EDA工具的開(kāi)發(fā),目標(biāo)是確定性地選擇正確的電源架構(gòu)和IP組件。這些是測(cè)試版,解決了所有電源管理實(shí)施步驟:
 
● PowerArchitect允許探索各種電源架構(gòu)并選擇最佳工作點(diǎn);
 
● PowerDesigner是一款自動(dòng)化工具,用于生成頂級(jí)UPF,頂級(jí)RTL和ACU的RTL,采用頂級(jí)RTL的MAESTRO模塊UPF設(shè)計(jì)構(gòu)建;
 
● PowerVision是一種電源完整性驅(qū)動(dòng)的SoC仿真工具。
 
處理電源管理和分配是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù),而且非常棘手!與數(shù)字設(shè)計(jì)不同,在開(kāi)發(fā)完整的SoC(太大)時(shí),不存在驗(yàn)證IP(VIP)和運(yùn)行模擬仿真(SPICE)。此外,我們可以要求數(shù)字設(shè)計(jì)師管理模擬仿真嗎?但是在選擇功率單元時(shí)做出稍微錯(cuò)誤的決定可能會(huì)影響關(guān)鍵信號(hào)的完整性。在SoC中安全實(shí)施電源管理的最佳方法是詢問(wèn)具有該領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的工程師的專業(yè)知識(shí),并將有助于創(chuàng)建最佳電源架構(gòu),并實(shí)施電源管理,從而使您的SoC變得高效節(jié)能。
 
結(jié)語(yǔ)
 
對(duì)于芯片制造商而言,高芯片功耗現(xiàn)在是電子行業(yè)任何領(lǐng)域的真正關(guān)注點(diǎn)。2000年前后,復(fù)雜的電源管理解決方案僅在的無(wú)線移動(dòng)應(yīng)用中實(shí)施,當(dāng)下,為物聯(lián)網(wǎng),汽車或消費(fèi)類應(yīng)用實(shí)施這些解決方案變得非常必要。
 
但是,在SoC中實(shí)現(xiàn)高效的電源管理,對(duì)于首次使用SoC架構(gòu)的SoC架構(gòu)師來(lái)說(shuō)可能會(huì)被認(rèn)為是復(fù)雜且有風(fēng)險(xiǎn)的。很復(fù)雜,因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了各種功能,主要是模擬功能,而且他沒(méi)有接受過(guò)在SoC中選擇和實(shí)現(xiàn)它的培訓(xùn)。這就是為什么在做出錯(cuò)誤選擇時(shí)影響設(shè)計(jì)進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)是真實(shí)的,導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)了這個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)的主要風(fēng)險(xiǎn) - 上市時(shí)間(TTM)。
 
我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的單元庫(kù),用于在SoC中實(shí)現(xiàn)電源管理(電壓調(diào)節(jié)器,電源域接口調(diào)用,配電,時(shí)鐘分配等)。我們不僅僅是銷售這個(gè)庫(kù),還會(huì)在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)采取行動(dòng),通過(guò)提供經(jīng)驗(yàn)豐富的SoC架構(gòu)專家(SAE)的技術(shù)支持,幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)定義SoC電源架構(gòu)和實(shí)施策略。
 
本文轉(zhuǎn)載自半導(dǎo)體行業(yè)觀察。
 
 
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