微瓦功耗等級自行發電晶片亮相，為物聯網部署提供全新解決方案

2025 年 Hot Chips 大會，Everactive 發表超低功耗自供電系統單晶片（SoC）。Everactive 的 PKS3000 晶片能夠利用環境中收集的能量自行供電，無需穩定電源即可運行，被視為應對大規模物聯網（IoT）部署和全球能源可持續性挑戰的關鍵解決方案。

過去，傳統的物聯網部署，一旦需為設備接電或定期更換電池，就會使設備數量擴展複雜化，特別是當這些感測器位於難以觸及的位置時。因此，從可持續性的角度來看，利用環境能量成為為這些設備提供電力來源的方式之一。而且，另一個好處是不會受到電網故障的影響。然而，依賴能量收集帶來了嚴峻的挑戰。例如收集到的能量通常在毫瓦或微瓦範圍內，並且會根據環境條件而波動。這迫使 SoC 必須以極低的功率運行，同時採取措施最大限度地利用收集的能量，並在次優條件下生存。

Everactive 新推出的 PKS3000 晶片採用 55 奈米超低功耗製程，晶片面積僅 6.7 平方公釐。該設計目的為了嚴格的自供電限制下收集和傳輸數據。尤其在處理核心方面，該晶片包含一個 Arm Cortex M0+ 微控制器。Cortex M0+ 是 Arm 功耗最低的核心之一，並配備簡單的電路線。其記憶體子系統同樣簡潔，包含 128 KB SRAM 和 256 KB 快閃記憶體，沒有內建快取，指令和數據訪問共用一個記憶體埠。

根據試驗，PKS3000 可在 5MHz 運行，工作功耗僅 12 微瓦，閒置功耗為 2.19 微瓦，這一功耗水準比型動設備所關注的毫瓦等級還低了一個級數，可連接各種感測器來收集數據，並配備了功率最佳化的 Wi-Fi／藍牙／5G 無線電用於數據傳輸。值得注意的是，PKS3000 相比 Everactive 先前的 PKS2001 晶片顯著提升的部分是閒置功耗從 30 微瓦降至 2.19 微瓦、工作功耗從 89.1 微瓦降至 12 微瓦、還有製程從 65 奈米，升級到 55 奈米 ULP 節點，且其中許多改進來自架構技術。

至於，PKS3000 的核心目標為收集能量，再由能量收集電源管理單元 (EH-PMU) 控制。其能量收集來源包括通過太陽能電池進行收集、通過熱電發電機來收集，或其他潛在能源，包括無線電發射、機械振動或氣流，可根據預期的環境條件進行設定。由於最大功率點追蹤 (MPPT) 技術，有助於 EH-PMU 以最佳電壓從每個收集源獲取能量，進一步提高收集效率。

不過，因為收集的能量不穩定，PKS3000 可以將能量儲存在一對電容器，提供深度能量儲存，確保晶片在惡劣條件下也能持續運行。而較小的電容器則可快速充電，加快電壓驟降後的冷啟動速度。PKS3000 甚至可以使用 PV/TEG 組合在光照度 60 lux 和 8°C 冷啟動，用於寒冷房間的室內照明。此外，EH-PMU 為四個輸出軌（1p8、1p2、0p9 和 adj）供電，惡劣條件可切換至由儲存的電容器能量供電。

Everactive 還介紹了PKS3000 的電源管理，由能量感知子系統 (EAS) 負責，它類似於英特爾的電源控制單元 (PCU) 或 AMD 的系統管理單元 (SMU)。透過EAS 監控能量收集、儲存和消耗，以制定電源管理決策。它透過一系列不同的策略管理頻率和電壓調節，且固件可以連接到 EAS 來設定最大頻率和電源管理策略。能量統計數據可用於決定何時啟用組件或執行 OTA 更新。

過往，自行供電晶片通訊是個巨大挑戰，因為即使無線電只是保持網路連接，功耗也可能很高。因此，Everactive 通過使用喚醒無線電 (WRX) 解決這個問題。WRX 使用始終開啟的接收器，能夠以極低的功耗接收部分訊息。與使用占空比的傳統無線電相比，喚醒接收器力求在實現更低延遲的同時，減少閒置監控所浪費的功耗。而WRX 與外部通訊收發器共享天線。其無源路徑的工作頻率範圍為 300 MHz 至 3 GHz，並由板載匹配網路選擇頻率，可支持多種標準。

相較之下，英特爾 Wi-Fi 6 AX201 雖然能實現類似的靈敏度，但在核心功耗降低模式下的閒置功耗為 1.6 毫瓦，與 2.4 GHz 接入點關聯時功耗上升到 3.4 毫瓦。Everactive 的 WRX 設置功耗顯然更低，再次突顯自供電操作所面臨的嚴苛約束。Everactive 認為行業標準正朝著使用喚醒無線電的方向發展。

Everactive強調，PKS3000 是極致節能措施的典範。因為在當前 AI 熱潮下，功耗引發了對永續性的擔憂。然而，Everactive 專注於工業監控應用，其自型供電晶片即使在負載下消耗的功耗也比 PC 晶片或 AI 巨型晶片低幾個數量級。儘管 PKS3000 並未使用尖端的 FinFET 節點，但能以極低的功耗完成任務。從永續性的角度來看，無電池自供電 SoC 有極大價值。技術越發展，業界期待能量收集 SoC 能涵蓋更廣泛用例，甚至可能利用現代節點製程擴展能力。

(首圖來源：Everactive)