Với sự phát triển không ngừng của công nghệ số hiện nay, thì nhu cầu về kích cỡ, công suất, thời lượng pin của các thiết bị ngày càng gia tăng và trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Nhưng thiết bị di động cầm tay như điện thoại, laptop, đồng hồ đang dần có thời lượng pin dài hơn mà không cần phải sạc pin thường xuyên. Để có thể tiêu thụ điện năng và năng lượng tối thiểu thì, các thiết bị yêu cầu phải có các thiết kế IC công suất thấp hoạt động hiệu quả. Các thiết kế IC này không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của pin mà còn góp phần giảm thiểu rác thải và còn cải thiện vấn đề về môi trường, tạo ra những thiết bị điện tử bền vững hơn.‍

Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong IC

Trong mạch vi mạch điện tử, tiêu thụ năng lượng được chia làm 2 thành phần chính: năng lượng động (Dynamic power) và năng lượng tĩnh (Static power). Năng lượng động phát sinh khi transistor chuyển trạng thái, trong khi năng lượng tĩnh là các dòng điện bị rò rỉ qua các transitor ngay cả khi chúng không hoạt động. Để chúng ta giảm mức tiêu thụ năng lượng của toàn hệ thống, thì chúng ta cần phải kiểm soát từng yếu tố có đóng góp và sự tiêu thụ như: điện áp đầu vào, tần số hoạt động của mạch và diện dung của các nút chuyển mạch.‍

Năng lượng động (Dynamic Power)

Năng lượng động phụ thuộc chính vào tần số hoạt đồng và nguồn điện áp đầu vào của hệ thống. Tần số hoạt động của IC càng cao thì năng lượng động tiêu thụ sẽ càng cao, vì tần số đi kèm với lần chuyển mạch. Cách để chúng ta có thể làm giảm tiêu hao của loại năng lượng này là sử các kỹ thuật điểu chỉnh điện áp tần số động (DVFS) để điều chỉnh tần số mạch theo từng tác vụ và nhu cầu sử dụng.‍

Năng lượng tĩnh (Static Power)

Năng lượng tĩnh xảy ra bởi dòng rò chảy qua các transistor trong tình trạng tĩnh. Để giảm thiểu dòng rò, cộng nghệ CMOS đa ngưỡng (Multi-threshold CMOS) là một phương pháp được sử dụng, công nghệ sử dụng các transistor có ngưỡng điện áp cao hơn cho các khu vực thành phần không yêu cầu tốc độ chuyển mạch nhanh, và transistor điện áp thấp cho các khu vực thành phần yều cầu tốc độ nhanh.‍

Các kĩ thuật giảm thiểu năng lượng trong thiết kế IC

• Clock Gating - Clock gating là một kỹ thuật phổ biến để giảm tiêu thụ điện năng trong thiết kế IC. Kỹ thuật này cho phép các mạch điện thực hiện việc đóng ngắt tính hiệu đồng hồ tại các phần và khu vực trên IC không cần hoạt động. Điều này giúp giảm thiểu đang kể các chuyển mạch không cần thiết do đó làm giảm mức tiêu thụ năng lượng một cách hiệu quả.

Power Gating

Power gating là phương pháp tương tự như Clock gating, nhưng với Power gating thì nguồn năng lượng ở những khu vực không cần thiết ở trên IC sẽ bị ngắt đi, và mở lại khi được sử dụng, và ngăn chặn tiêu hao đến từ các dòng rò và dòng điện tĩnh. Điều này yêu cầu chúng ta áp dụng các khối cách ly để ngăn tín hiệu không mong muốn từ các khối IC đã bị tắt nguồn. 

• Thiết kế đa điện áp (multi-Voltage design) - Thiết kế đa điện áp là kĩ thuật cho phép IC được chia thành nhiều vùng có những mức điện áp khác nhau, tùy thuộc theo yêu cầu của từng khối và khu vực IC. Các khối cần hiệu suất cao sẽ được cung cấp điện áp cao hơn, ngược lại các vùng hiệu suất thấp sẽ được cấp điện áp thấp.

Ứng dụng IC công suất thấp

• Thiết bị di động - Vì nhu cầu ngày càng gia tăng về hiểu suất máy những vẫn cần đảm bảo thời lượng pin và các chức năng hoạt động của các thiết bị công nghệ, IC công suất thấp là một trong những kĩ thuật chủ chốt mang đến sự phát triển và đảm bảo hiệu năng đối với các thiết bị di động thông minh như: điện thoại thông minh, Laptop, đồng hồ thông minh và máy tính bảng. Các công nghệ hiện đang được ứng dụng vào như là DVFS, Clock gating, power gating và multi-Voltage design đã và đang giúp cho các thiết bị di động hiện đại cân bằng hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

Ví dụ: thiết kế trong màn hình LCD của một thiết bị di động đã giảm mức tiêu thụ điện xuống 43% so với mức tiêu thụ cũ nhờ vào sử dụng công nghệ LTPS và TFTs.

• Thiết bị y tế - Trong lĩnh vực y tế, các thiết bị cấy ghép yều cầu thời gian sử dụng dài mà không phải thay pin. Với việc sử dụng IC công suất thấp, chúng ta có thể hạn chế những can thiệp y tế không hiệu quả, và giảm thiểu chi phí điều trị đáng kể.
  Ví dụ, IC sóng RF với tần số 13.56MHz trong các thiết bị y tế được sử dụng để tối ưu hóa và giảm dòng rò rỉ cũng như cải thiện hiệu suất truyền năng lượng.

Thách thức và xu hướng phát triển

• Thách thức - Một trong những thách thức lớn nhất của thiết kế IC công suất thấp là hiện tượng suy giảm hiệu suất do ngắt hoặc giảm điện áp cung cấp một cách đột ngột hoặc thiếu ổn định. Khi điện áp cung cấp giảm đi, xung thời gian của mạch IC sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng, vì thế kĩ thuật của dụng IC công suất thấp yêu cầu các kĩ sư có khả năng phân tích điện áp phức tạp để đảm bảo tín hiệu vào và ra của mạch IC.
• Xu hướng phát triển - Với các giới hạn về kích thước của các mạch IC, cũng như như cầu về hiệu suất thiết bị ngày càng gia tăng. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu và áp dụng các công nghệ sử dụng chất bán dẫn mới như SiC và GaN. và áp dụng, để giảm thiểu tổn thất chuyển mạch và cải thiện hiệu suất tổng thể của IC. Đồng thời, các công nghệ thu hoạch năng lượng có dây và không dây cũng đang được nghiên cứu để cung cấp năng lượng bền vững cho các thiết bị điện tử.

Kết luận

Thiết kế IC công suất thấp không chỉ quan trọng đối với việc kéo dài tuổi thọ pin cho các thiết bị di động và y tế, mà còn góp phần giảm thiểu tác động môi trường thông qua việc giảm tiêu thụ năng lượng. Các kỹ thuật như clock gating, power gating, và thiết kế đa điện áp đã giúp các nhà thiết kế IC đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Trong tương lai, sự phát triển của các vật liệu mới và công nghệ thu năng lượng hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho lĩnh vực thiết kế IC công suất thấp.