Jeff Waters：模拟系统与绿色节能设计趋势

                                                              

      俗语说：鉴古知今。只有了解过去，才能预测未来。进入21世纪，在安全、健康、通信和娱乐等生活的各个层面，人类对科技的倚赖不断增加。但对科技产品与设备的供电问题也越来越令人头痛。例如，手机中新增的便携式双向视频传送功能，这一功能很快便会成为手机的标准功能。同时，也意味着手机设计师将面临着更大的挑战，因为新引进的功能绝不能影响手机体积或电池寿命。与此同时，有线和无线大型基础设施要支持视频数据传输。同样地，负责此类通信设施的工程师希望新增视频数据传输不会增加原有设备的硬件和用电成本。随着模拟技术的不断发展以及更高能效更高性能的电源解决方案出现，相信上述的问题会彻底得到解决。

      人类对能源的需求由来已久。在电子产品尚未面世之前，人类已懂得利用自然界的力量。古时的人类利用风力磨谷，制造面包。我们现在也利用风力发电为服务器供电，从而可以上网浏览信息，满足求知欲。据统计，2005年全球服务器总耗电量相等于14个1GW发电站的全年发电量(亦即140亿W)。预计2008年后，耗电量会呈指数级增长。Google等信息供应商在快速寻找降低电费开支的同时，也正在马不停蹄的扩增服务器。这一趋势将随着VOIP标准传输地位的确立（甚至适用于卫星电视）而愈发明显。

      而今，设计师不仅要满足客户对产品设计的需求，还要顾及产品的耗电问题。例如如果每台服务器的功率降低4W，那么一个大型的Server Farm1每年便可节省超过3.5亿WH(watt-hour) 的电力1，这还不包括散热设备节省下来的电费。这种节电水平相当于将电源效率略微提高约2%(即由91%提高至93%)。随着具备视频功能的便携式电子产品日趋普及，对相关网络设备的需要也会激增。更进一步来说，市场需要更高能效的开关稳压器以及创新的技术，从而在不牺牲电源性能的同时进一步降低电源模块的体积。

      能源转换效率的问题将会继续受到工程师的高度关注。节能技术不断进步，但受惠的并不限于电源。例如，LCD高清电视机利用彩色滤波器提供红、绿、蓝三种基色，从而组成我们所见的彩色画面。但约有85%的背光都被滤波器滤掉了，我们在画面所看到的只是余下15%的背光。换言之，为了弥补滤波器滤除的光波，背光灯必须将灯光强度提高6.5倍。而采用顺序扫描技术的LCD显示器便不需要彩色滤波器。这类显示器通过将RGB LED背光按照帧速率依次排列，从而产生色彩缤纷的画面。减省了彩色滤波器之后，液晶显示器的背光系统功率可以由550W降低至约85W，不但大幅的节省了能源，而且还减少了散热。

      LED将逐渐取代传统的照明设备，包括背光系统，以及一般的照明系统。LED驱动技术也会随着LED的发展而不断进步。新一代的驱动器甚至可以直接利用交流电驱动LED，这样钨丝灯的传统插座就可以改用寿命更长效率更高的LED灯。

      除了提高能源利用效率外，改用全新的电路架构，也可帮助节能。这最初源于PC 处理器的改进，PC 处理器已不再依靠提升处理器主频而是并行计算内核来提高性能。类似的架构变化也影响着模拟技术领域。以示波器及频谱分析仪这类新一代的采样、测试和测量设备为例来说，数据转换器必须以1GSPS以上的超高速度进行采样。这项工作一向由闪速转换器(flash converter) 负责执行。目前越来越多新一代的超高速模拟/数字转换器改用折叠式结构搭配自动校正功能，以便大幅降低功耗。单以节能的成效来说，目前的半导体工艺技术已接近其极限，系统设计工程师必须打破传统的框框，才可取得新的突破。

      其实在日常生活中，最终用户已深切体会“必须打破传统框框”的道理。例如，他们购买电子产品时，除了关注产品的直接购买成本，还计算产品的总拥有成本，故此许多消费者选购电冰箱等家电之前，都会参考“能源之星”(Energy Star) 评级。对于要为IT部门采购1,000台PC 的公司来说，PC的电费将是一笔不小的开支。所有新设备累加在一起的能源消耗将是惊人的。即使每一设备的节能量只有极轻微的改善，也会产生滚雪球般的巨大效应。

      步入2008年，各国的模拟设计工程师都热切期望功耗更低、性能更强的新一代芯片出现，从而可以降低产品的散热量和耗电量，以便减少电费支出，或延长电池寿命。在这个问题上，模拟技术将会继续扮演一个重要的角色。模拟芯片开发商将会陆续推出速度更快、耗电量更少的运算放大器以及功率更低、速度更快的模拟/数字转换器。信号调节技术将会有飞跃的发展。在同样的功耗下，信号调节系产品的视频效果会更好，而且可以利用现有的电缆及基建设备进行传输。2008年，模拟技术将通过更智能的电源管理方案来配合高功耗处理器和FPGA提高能源效率。对更好性能及更高能效的渴求将不断推动模拟技术的复兴，我们也将兴奋的迎来模拟技术大显身手的时刻。

注1: 一台用于搜索引擎的大型Server Farm（服务器农场）可以包含多达一万台200W的服务器。