国内自主非易失处理器 主攻物联网应用

清华大学电子工程系电路与系统研究所与日本罗姆公司合作研制出世界上第一款微秒级唤醒速度的低功耗“非易失处理器THU1010N”。该处理器由清华大学完成设计，使用罗姆公司先进的铁电-CMOS混合制造工艺进行流片，能够在掉电的情况下保存实时的系统状态，并实现快速的休眠和唤醒。该项成果即将发表于2012年9月在法国召开的欧洲固态电路会议(ESSCRIC)上，并获得了2012年度低功耗电子设计年会(ISLpED)的最佳设计竞赛奖。
开辟处理器应用新模式
相对于传统处理器，非易失处理器芯片具备如下特性与优势：
一是掉电状态保持。该处理器能够在掉电发生时将实时的运行状态和计算数据保存在铁电存储单元中，掉电后数据不丢失，上电后从掉电前的断点继续运行。
二是零待机功耗。该处理器可以在待机时完全关断电源，实现零功耗待机模式。
三是微秒级的休眠唤醒。由于采用分布式存储架构，该处理器可以在断电前后的几微秒时间内实现所有状态与数据的备份与恢复。与目前市场上其他处理器相比，该速度提高了数千至数万倍，休眠与唤醒可以在瞬间完成。
四是适应新的供电模式。由于具备高速休眠唤醒的特性，使得该处理器能适应间断的、不稳定的能量环境，诸如交流供电、脉冲供电这些新的供电模式。将其与基于振动、电磁波的能量采集系统进行结合，能够实现无需电池可连续工作的计算系统。
非易失处理器上述优势的实现离不开非易失技术的革新与成熟，同时也离不开与非易失技术相配套的电路设计和体系架构研究。为了实现微秒级的休眠唤醒速度，该非易失处理器添加了自定时的控制模块，实现了并行的铁电单元读写控制。
为了实现对外界掉电的快速反应，处理器中加入了高速、高可靠性的电压监测模块。同时该处理器支持易失与非易失的状态切换，支持一定程度的在线调试，为芯片投入实际应用提供了很好的支持。
非易失处理器的提出，将开辟大量处理器应用的新型模式。目前，研究小组将其应用在无线传感网监控节点中。不同于传统有线网络，无线传感网具有能量受限、环境复杂、以数据为中心等特点。对于这些特点，非易失处理器将比传统处理器更易满足无线传感网的需求。
首先，在该节点中非易失处理器与能量采集(诸如太阳能，振动等)系统相结合，采取自供能的方式，可以消除节点对电池的依赖，解决能量瓶颈。
其次，该节点的电源鲁棒性使其能适应复杂的工作环境，完成多样化监控任务。
最后，采用非易失处理器的节点能针对突发状况快速备份实时数据，使关键数据不丢失，满足传感网对数据较高的需求。目前研究组已设计完成基于太阳能的非易失传感网节点的应用原型，并开始评估其投入到桥梁和健康监控等实际应用中产生的优势。
拓展微型体域网节点应用
非易失处理器下一步的应用是面向医疗电子领域的微型体域网节点。
2008年～2011年间便携式医疗电子产品在国内始终保持20%以上的增长率，应用前景乐观。非挥发处理器芯片具备功耗小、面积小、成本低、无需电池供电的特点，十分适用于微型临床医疗和家用健康产品。微型体域网节点将从人体和周围环境吸收能量，用于检测人的血压、血糖、体温等诸多生理指标，并通过无线方式将数据发送至手机等终端设备。
为了满足体域网的相关需求，研究小组拟解决下述关键问题：
一是节点的小型化。为了实现1立方厘米大小的节点，就要提高系统的集成设计。研究组将在节点SoC、3D封装、小型传感器方面展开相关研究。
二是能量效率。由于不采用电池供电，且来自身体及周围环境的能量有限，因此能量采集系统的能量效率就非常重要。研究组将研究更高效、多方式的能量采集方案。
两大问题亟待解决
非易失处理器是学术界和产业界的前沿研究课题，目前仍存在以下的问题需要解决。
一方面问题来自非易失器件本身。与传统CMOS器件不同，大部分非易失器件的读写存在不对称性和统计性，需要设计专门的读写控制电路进行补偿。为了解决此类问题，除了改良非易失器件相关特性外，如何设计精简的读写电路，并得到较高的补偿效果是该领域面临的主要挑战。其次，几乎所有的非易失器件的写入次数都是有限的，而在处理器运行时，寄存器的读写频率却是很高的，因此如何解决寿命问题也是非易失处理器面临的主要挑战。
另一方面问题来自非易失触发器电路。目前非易失触发器的面积是传统CMOS触发器的2到4倍，简单的替换将造成较高的面积代价和成本提升。为了解决面积问题，研究组提出了一种压缩备份架构，有效地减少了备份数据所需非易失触发器的数目。为了进一步实现面积的优化，还有很多体系架构、系统软件以及应用模式等方面的关键问题亟待解决。
在处理器芯片方面，将在第一版芯片的基础上，面向自供能的传感网应用进行系统集成，设计包含能量采集、数字基带、射频前端的SoC芯片，并将非易失技术应用在相关模块中。预计未来1～2年内完成第一版自供能的传感网节点SoC芯片，并提供给物联网企业进行应用开发和评估。
在应用系统方面，目标定位在毫米级自供能无线体域传感网节点设计。面向无线体域网的应用进行系统集成。解决传感器、能量收集器、节点封装、天线的小型化等技术难题。预计未来2～3年内完成第一版微型无线体域传感网节点，并以产学研合作的模式，进行产业化推广。