การออกแบบ IC เพื่อลดการใช้พลังงาน

บทนำ‍

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีดิจิทัลในปัจจุบัน ความต้องการในด้านขนาดเล็ก ประสิทธิภาพสูง และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นของอุปกรณ์ต่างๆ มีความสำคัญมากยิ่งขึ้น อุปกรณ์พกพา เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และสมาร์ทวอทช์ กำลังมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นโดยไม่ต้องชาร์จบ่อย การออกแบบ IC ที่ใช้พลังงานต่ำและมีประสิทธิภาพช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้ลดการใช้พลังงาน ยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ลดขยะอิเล็กทรอนิกส์ และส่งเสริมการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยั่งยืน‍

องค์ประกอบที่ส่งผลต่อการใช้พลังงานใน IC

การใช้พลังงานในวงจรรวม (IC) แบ่งออกเป็นสองส่วนหลัก:

• ‍พลังงานไดนามิก (Dynamic Power): เกิดขึ้นเมื่อทรานซิสเตอร์เปลี่ยนสถานะ‍
• พลังงานสแตติก (Static Power): เกิดจากกระแสรั่วไหลผ่านทรานซิสเตอร์ในสภาวะคงที่

การลดการใช้พลังงานทั้งหมดในระบบจำเป็นต้องควบคุมปัจจัยสำคัญ เช่น แรงดันไฟฟ้าขาเข้า ความถี่ของวงจร และค่าความจุของโหนดที่สวิตช์

พลังงานไดนามิก (Dynamic Power)

พลังงานไดนามิกขึ้นอยู่กับความถี่ในการทำงานและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของระบบ ความถี่ในการทำงานที่สูงขึ้นจะทำให้พลังงานไดนามิกเพิ่มขึ้นเนื่องจากมีการสวิตช์สถานะบ่อย วิธีการลดพลังงานประเภทนี้คือการใช้เทคนิค Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) ซึ่งปรับแรงดันไฟฟ้าและความถี่ของวงจรให้เหมาะสมกับการทำงานและความต้องการใช้งาน

พลังงานสแตติก (Static Power)

พลังงานสแตติกเกิดจากกระแสรั่วไหลในทรานซิสเตอร์แม้อยู่ในสภาวะคงที่ การลดกระแสรั่วสามารถทำได้โดยใช้เทคโนโลยี CMOS หลายเกณฑ์ (Multi-threshold CMOS) ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าสูงในส่วนที่ไม่ต้องการการสวิตช์ความเร็วสูง และทรานซิสเตอร์แรงดันต่ำในส่วนที่ต้องการความเร็วสูง

เทคนิคการลดพลังงานใน IC

• ‍Clock Gating
  เทคนิคนี้ปิดสัญญาณนาฬิกาในส่วนของ IC ที่ไม่จำเป็นต้องใช้งาน ช่วยลดการสวิตช์ที่ไม่จำเป็นและลดการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ‍
• Power Gating
  เทคนิคนี้ปิดแหล่งพลังงานในส่วนของ IC ที่ไม่จำเป็นต้องใช้งาน และเปิดใช้งานใหม่เมื่อจำเป็น เพื่อลดการสูญเสียพลังงานจากกระแสรั่วไหล‍
• การออกแบบหลายแรงดันไฟฟ้า (Multi-Voltage Design)
  แบ่ง IC ออกเป็นหลายโซนที่มีระดับแรงดันไฟฟ้าแตกต่างกัน โดยส่วนที่ต้องการประสิทธิภาพสูงจะได้รับแรงดันไฟฟ้าสูง ส่วนที่ต้องการประสิทธิภาพต่ำจะใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำ

การใช้งานของ IC พลังงานต่ำ

• ‍อุปกรณ์พกพา
  ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับประสิทธิภาพสูงแต่ต้องการอายุแบตเตอรี่ที่ยาวนาน IC พลังงานต่ำมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อัจฉริยะ เช่น สมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และสมาร์ทวอทช์ เทคโนโลยี เช่น DVFS, Clock Gating, Power Gating และ Multi-Voltage Design ถูกนำมาใช้เพื่อปรับสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการประหยัดพลังงาน
  ตัวอย่าง: การออกแบบจอแสดงผล LCD ในอุปกรณ์พกพาลดการใช้พลังงานได้ถึง 43% ด้วยเทคโนโลยี LTPS และ TFT‍
• อุปกรณ์ทางการแพทย์
  อุปกรณ์ฝังในทางการแพทย์ต้องการอายุการใช้งานยาวนานโดยไม่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ การใช้ IC พลังงานต่ำช่วยลดการรบกวนทางการแพทย์และลดต้นทุนการรักษา
  ตัวอย่าง: IC RF ที่ใช้ความถี่ 13.56 MHz ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ช่วยลดกระแสรั่วไหลและปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งพลังงาน

ความท้าทายและแนวโน้มการพัฒนา

ความท้าทาย

• การลดแรงดันไฟฟ้าหรือการปิดแหล่งจ่ายไฟอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลง
• ต้องการวิศวกรที่มีความเชี่ยวชาญในการวิเคราะห์แรงดันไฟฟ้าเพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างเสถียร

แนวโน้มการพัฒนาsome text

• การใช้วัสดุใหม่ เช่น SiC และ GaN เพื่อลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพ
• การพัฒนาการเก็บเกี่ยวพลังงานแบบมีสายและไร้สาย เพื่อให้พลังงานที่ยั่งยืนสำหรับอุปกรณ์‍

สรุป

การออกแบบ IC พลังงานต่ำไม่เพียงช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์ทางการแพทย์ แต่ยังช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมผ่านการลดการใช้พลังงาน เทคนิคต่างๆ เช่น Clock Gating, Power Gating และ Multi-Voltage Design ช่วยให้นักออกแบบ IC บรรลุเป้าหมายทั้งด้านประสิทธิภาพและการประหยัดพลังงาน ในอนาคต วัสดุใหม่และเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานจะเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับการออกแบบ IC ที่ยั่งยืนมากยิ่งขึ้น