Cấp nguồn cho NPU: Tích hợp trên chip, PMIC bên ngoài hay giải pháp lai?

Nút cảm biến luôn bật của bạn giờ đây được trang bị thêm bộ gia tốc neural, và nguyên mẫu đầu tiên bị sụt áp giữa chừng khi đang suy luận. Pin vẫn còn điện, nhưng đường nguồn không thể giữ ổn định qua đợt bùng tải suy luận. Như đã đề cập trong MCU của bạn thông minh hơn – Chuỗi cung ứng của bạn cũng trở nên khó khăn hơn, một số MCU tích hợp NPU mới nhất hiện chỉ có giá khoảng một đến hai đô la, đưa các đợt suy luận ngắn, cường độ cao ở thang mili giây vào những thiết kế vốn có thể trước đây chỉ được tối ưu cho các tải điều khiển tương đối ổn định. 

Một bộ gia tốc neural trong ngân sách công suất chặt chẽ trước hết là một bài toán nguồn, rồi mới là bài toán tính toán. Bạn có ba lựa chọn cơ bản: dùng bộ ổn áp tích hợp trên chip của MCU, chuyển các rail lõi sang IC quản lý nguồn bên ngoài (PMIC), hoặc kết hợp nguồn nội bộ và bên ngoài trong một kiến trúc lai. Mỗi cách đều có những đánh đổi khác nhau về số lượng linh kiện, diện tích bo mạch, hiệu suất, khả năng điều khiển rail và dư địa hiệu năng.

Những điểm chính cần nhớ

• Suy luận dồn tải công việc vào các đợt bùng ngắn tính theo mili giây trên các rail lõi điện áp thấp, thường dưới 1 volt. Năng lượng cho mỗi lần suy luận quyết định AI bổ sung bao nhiêu vào ngân sách năng lượng, trong khi đáp ứng quá độ và trở kháng nguồn quyết định liệu rail có giữ được ổn định hay không. 
• Các kết quả đo thực tế so sánh NPU với CPU cho thấy mức cải thiện năng lượng từ 8,9 lần đến 143 lần trên các tác vụ phù hợp để ánh xạ hiệu quả lên bộ gia tốc. Các mô hình nhỏ có thể mất lợi thế đó khi mức sử dụng NPU quá thấp. 
• Ổn áp on-chip là điểm khởi đầu cho các thiết kế dưới 1 watt được tối ưu theo diện tích bo mạch và chi phí BOM, miễn là bộ ổn áp nội bộ có thể hỗ trợ dòng điện yêu cầu, độ ổn định rail và mục tiêu xung nhịp. 
• PMIC bên ngoài phù hợp với các thiết kế đa miền nguồn hoặc nhạy cảm với hiệu năng, cần hiệu suất chuyển đổi, khả năng cấp dòng, điều khiển rail hoặc trình tự cấp nguồn. Trong các hệ thống sạc lại được, nó cũng có thể tích hợp sạc pin và đo dung lượng pin.
• Nguồn lai phù hợp khi một hoặc hai rail cần hiệu suất hoặc dư địa hiệu năng của ổn áp ngoài, còn các rail còn lại thì không đủ để biện minh cho diện tích bo mạch và chi phí của kiến trúc PMIC hoàn toàn bên ngoài.
• Các nguồn có trở kháng cao, như pin cúc áo, có thể biến các đợt suy luận thành hiện tượng brownout. Hãy tính toán dung lượng lưu trữ năng lượng cục bộ dựa trên điện tích cần cho đợt tải, điện trở pin và mức sụt áp cho phép.

Các đợt bùng suy luận thử thách đường nguồn

Một thiết bị luôn bật thường duy trì đường cảm biến công suất thấp ở trạng thái hoạt động, trong khi miền tính toán chính chờ tín hiệu kích hoạt. Khi tín hiệu đến, suy luận sẽ chạy theo dạng bùng tải. Hãng chip Alif trong phân tích ở cấp sự kiện về một chu kỳ suy luận nhận diện từ khóa đã tách tải công việc thành một xung tăng vọt lúc thức dậy, đợt xử lý mel-frequency cepstral coefficient (MFCC), đợt bùng NPU và dòng đuôi theo sau. Alif đo được tác vụ này mất 6,8 ms và 0,17 mJ cho mỗi lần suy luận trên NPU, so với 137 ms và 2,62 mJ khi chỉ dùng CPU.

Một bản preprint độc lập năm 2025 đo trên silicon của Alif bằng thiết bị đo ngoài cho thấy mức cải thiện năng lượng trên mỗi lần suy luận dao động từ 8,9 lần đến 143 lần trên bốn mô hình được hưởng lợi từ việc offload sang NPU. 

Trong một ví dụ nhận diện từ khóa, công suất trung bình khi NPU chạy có phần cao hơn, nhưng thời gian thực thi ngắn hơn rất nhiều đã bù lại nhiều hơn mức đó. 

Với một mô hình phân loại chữ số viết tay MNIST rất nhỏ, NPU chỉ chạy ở mức sử dụng 5,1 phần trăm và tiêu thụ nhiều năng lượng hơn đường CPU vì chi phí điều phối lớn hơn phần tiết kiệm tính toán. Với các mô hình nhỏ, CPU có thể hiệu quả hơn; ở những nơi NPU có điều khiển nguồn độc lập, firmware có thể để nó tắt cho đến khi tải công việc đủ lớn để cần tăng tốc.

Kết quả năng lượng NPU đo được trên các loại tải công việc

Hiệu quả của NPU phụ thuộc nhiều vào mức độ phù hợp của tải công việc và mức sử dụng bộ gia tốc.

Để thấy điều này có ý nghĩa gì ở đường nguồn, hãy xem STM32N6 của ST. Nó chạy lõi ở mức 0,81 V trong chế độ danh định, và các phép đo của ST cho thấy riêng miền VDDCORE đã tiêu thụ 124 đến 191 mW trong khi suy luận. Công ty cũng cung cấp một gói đo công suất chuyên dụng cho rail này.

Dữ liệu công suất công khai của MCU-NPU hiếm khi bao gồm tốc độ thay đổi dòng ở cấp máy hiện sóng hoặc các vết sụt áp rail. Bước tải nhanh là một vấn đề đã được biết đến, nhưng đáp ứng quá độ mà bộ ổn áp và tụ decoupling của bạn phải xử lý còn phụ thuộc vào tải công việc, bo mạch, bộ chuyển đổi và nguồn cấp. Hãy đo VDDCORE trên phần cứng thực tế khi chạy suy luận.

Khi đã biết tải trông như thế nào, câu hỏi tiếp theo là quá trình chuyển đổi nguồn diễn ra ở đâu: trên chip, trong PMIC bên ngoài, hay chia giữa cả hai.

1. Dùng bộ ổn áp on-chip của MCU

Các nhà cung cấp MCU đã đưa ngày càng nhiều phần của đường nguồn lên chip trong nhiều năm qua, và thế hệ NPU tiếp tục xu hướng đó. Các họ STM32U5 và STM32N6 của ST cung cấp ổn áp chuyển mạch nội bộ cho nguồn lõi, chỉ cần một bộ linh kiện cảm ứng và decoupling nhỏ bên ngoài. Dòng PSOC Edge của Infineon chia chip thành một miền hiệu năng cao và một miền công suất thấp. 

Nhìn xa hơn đến năm 2027, Ambiq cho biết Atomiq110 sắp ra mắt của hãng sẽ dùng triển khai 12 nm cho nền tảng Subthreshold Power Optimized Technology (SPOT) và có chế độ siêu tiết kiệm điện hoạt động gần mức 300 mV. 

NXP i.MX RT700 làm cho sự đánh đổi này trở nên đặc biệt rõ ràng vì bộ kit đánh giá (EVK) của nó cho phép các nhà thiết kế đánh giá cùng một bộ xử lý dưới bốn kiến trúc nguồn: PMIC hoàn toàn bên ngoài, thiết kế hoàn toàn on-chip, cấu hình lai giữa hai cách, và cấu hình linh kiện rời không dùng PMIC. Với các rail ngoài ở 1,1 V hoặc cao hơn, lõi chính đạt 325 MHz và lõi cảm biến đạt 250 MHz. Dùng các bộ ổn áp low-dropout (LDO) nội bộ sẽ hạ các mức trần này xuống còn 250 và 205 MHz. Cấu hình PMIC ngoài là mặc định được xuất xưởng cùng EVK. Vì vậy, số lượng rail chỉ là một phần của quyết định tự làm hay mua, bởi nguồn ngoài còn mang lại dư địa xung nhịp đo được và có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi.

Ổn áp on-chip bị giới hạn bởi dư địa dòng và nhiệt, hiệu suất chuyển đổi trên chính tiến trình SoC, và số lượng rail mà nó có thể điều khiển. Dù vậy, đường nội bộ giảm thiểu linh kiện ngoài và diện tích bo mạch, và với nhiều thiết kế dưới 1 watt, đây là lựa chọn phù hợp hơn, miễn là bộ ổn áp on-chip đáp ứng được dòng điện yêu cầu, độ ổn định rail và mục tiêu xung nhịp.

2. Thêm PMIC bên ngoài

Với các thiết kế đầu cuối, PMIC bên ngoài có thể cải thiện hiệu suất chuyển đổi và bổ sung khả năng điều khiển rail, cấp dòng, trình tự nguồn và các chức năng mà MCU không cung cấp nội bộ. Trong các hệ thống sạc lại được, nó cũng có thể tích hợp sạc pin và đo dung lượng pin. 

Nordic nPM1300 cho thấy có thể tích hợp được bao nhiêu chức năng quản lý nguồn trong một package nhỏ. Nó kết hợp hai bộ buck 200 mA, hai LDO/công tắc tải có thể cấu hình, sạc pin và hỗ trợ fuel gauge trong một package khoảng 3 x 2,4 mm. Nó được cấu hình qua I2C và có thể hoạt động chỉ với tối thiểu năm linh kiện thụ động bên ngoài.

Một die nguồn chuyên dụng có thể điều chỉnh hiệu quả hơn so với mạch được xây dựng trên tiến trình logic của MCU. Nhưng các lợi ích đó phải đủ để biện minh cho diện tích bo mạch, số linh kiện và chi phí tăng thêm.

3. Dùng nguồn lai

Một kiến trúc lai giữ lại một phần chuyển đổi nguồn trên MCU, đồng thời đưa các rail hưởng lợi nhiều nhất từ ổn áp ngoài ra khỏi chip. EVK i.MX RT700 của NXP là một ví dụ hữu ích: bộ chuyển đổi DC-DC on-chip của nó tạo ra VDDN trong khi các bộ ổn áp ngoài cấp VDD1 và VDD2. Cấu hình lai phù hợp khi một hoặc hai rail cần hiệu suất hoặc dư địa hiệu năng của ổn áp ngoài, còn các rail còn lại thì không đủ để biện minh cho diện tích bo mạch và chi phí của kiến trúc PMIC hoàn toàn bên ngoài. 

Chi phí của rail ngoài

So sánh BOM rõ ràng nhất là dùng cùng một bộ xử lý dưới các cấu hình nguồn khác nhau, và i.MX RT700 của NXP cung cấp đúng điều đó. Đường nguồn ngoài bổ sung PCA9422 và các linh kiện thụ động của nó vào BOM để đổi lấy dư địa xung nhịp lớn hơn và khả năng hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Đường on-chip loại bỏ các hạng mục đó nhưng phải đánh đổi một phần dư địa hiệu năng. Giá niêm yết và giá giao ngay đôi khi đã chênh lệch rất mạnh trong năm nay, vì vậy hãy dùng Octopart để định giá cả hai stack nguồn ở mức sản lượng bạn dự kiến mua.

Về khía cạnh nguồn thay thế thứ hai và đánh giá đủ chuẩn trong lựa chọn MCU, xem thêm 5 nhà cung cấp nắm giữ 80% thị trường MCU. Nguồn thứ hai của bạn ở đâu?

Khi pin trở thành nút thắt

Điện trở nội của pin cúc áo có thể tăng từ vài ohm lên hàng chục ohm khi xả, vì vậy một đợt bùng suy luận lấy trực tiếp từ pin có thể kéo điện áp đầu vào của bộ chuyển đổi xuống dưới mức vận hành yêu cầu. Một tụ chứa hoặc siêu tụ nhỏ có thể cấp cục bộ cho đợt tải này. Hãy tính toán kích thước của nó dựa trên điện tích cần cho đợt tải, điện trở nội của pin và mức sụt áp cho phép, thay vì chỉ dựa trên dòng đỉnh. 

TI từ lâu đã có white paper SWRA349trình bày chi tiết cách tính toán. Hãy xác thực tụ điện dự trữ ở trạng thái sạc xấu nhất của pin và nhiệt độ vận hành, khi trở kháng nguồn là cao nhất. Trong một thiết kế sát ngưỡng, chỉ riêng linh kiện này có thể quyết định sản phẩm có được xuất xưởng hay không.

Chọn theo Cấp Công suất, Sau đó Xác minh trên băng thử

Khi đến lúc chọn kiến trúc nguồn, hãy bắt đầu với cấp công suất. Một thiết kế dưới một watt được tối ưu cho diện tích bo mạch tối thiểu và chi phí BOM thường sẽ bắt đầu với bộ điều áp tích hợp trên chip. Một SoC đa miền hoặc nhạy cảm về hiệu năng có nhiều khả năng xứng đáng với PMIC ngoài hoặc nguồn lai nhờ hiệu suất được cải thiện, trình tự cấp nguồn, khả năng điều khiển các rail, hoặc biên độ dự phòng xung nhịp. Các nguồn có trở kháng cao như pin cúc áo cần có bộ đệm cho các đợt tải đột biến bất kể kiến trúc bộ điều áp là gì. 

Dù bạn chọn kiến trúc nào, có hai phép đo nên dẫn dắt quyết định. Năng lượng cho mỗi lần suy luận cho biết liệu việc tăng tốc có cải thiện ngân sách năng lượng hay không. Đáp ứng quá độ rail trong trường hợp xấu nhất cho biết liệu bộ điều áp, nguồn và mạng tụ decoupling của bạn có thể hỗ trợ khối lượng công việc hay không. Hãy đo cả hai trên chính phần cứng của bạn trước khi cam kết.