2025年邊緣計(jì)算存算一體芯片在智慧醫(yī)療設(shè)備中的能效比提升策略1.優(yōu)化芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)1.1采用近存計(jì)算架構(gòu)傳統(tǒng)架構(gòu)中數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)單元和計(jì)算單元之間頻繁傳輸會(huì)消耗大量能量。近存計(jì)算架構(gòu)將計(jì)算功能靠近存儲(chǔ)單元，減少數(shù)據(jù)搬運(yùn)。例如，在邊緣計(jì)算存算一體芯片中，將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)直接在存儲(chǔ)陣列附近完成，避免數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪芎?。?duì)于智慧醫(yī)療設(shè)備中的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用近存計(jì)算架構(gòu)后，可直接在存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)的區(qū)域?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行初步的濾波、特征提取等操作，降低數(shù)據(jù)傳輸帶來的能量損耗。1.2設(shè)計(jì)可重構(gòu)架構(gòu)可重構(gòu)架構(gòu)允許芯片根據(jù)不同的醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算資源。在智慧醫(yī)療中，不同的醫(yī)療設(shè)備有不同的計(jì)算需求，如CT掃描設(shè)備需要大量的圖像重建計(jì)算，而血糖儀只需要簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算?？芍貥?gòu)架構(gòu)可以在運(yùn)行時(shí)重新配置計(jì)算單元的連接和功能，在滿足計(jì)算需求的同時(shí)，避免使用不必要的計(jì)算資源，從而提高能效比。例如，當(dāng)芯片用于低復(fù)雜度的醫(yī)療數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)，可將部分計(jì)算單元配置為低功耗模式，而在處理高復(fù)雜度的醫(yī)學(xué)影像時(shí)，重新配置為高性能模式。1.3引入異步電路設(shè)計(jì)同步電路依賴全局時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸會(huì)消耗大量能量。異步電路則不依賴全局時(shí)鐘，通過握手信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和操作同步。在邊緣計(jì)算存算一體芯片中引入異步電路設(shè)計(jì)，可以減少時(shí)鐘信號(hào)的功耗。在智慧醫(yī)療設(shè)備的超聲診斷儀中，異步電路可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理的實(shí)際需求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算，避免了同步電路中時(shí)鐘信號(hào)的持續(xù)耗能，提高了能效比。2.存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)化2.1選用低功耗存儲(chǔ)介質(zhì)在邊緣計(jì)算存算一體芯片中，存儲(chǔ)介質(zhì)的功耗對(duì)整體能效比有重要影響。選擇低功耗的存儲(chǔ)介質(zhì)，如相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PCRAM）或阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）。這些新型存儲(chǔ)介質(zhì)具有非易失性、讀寫速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在智慧醫(yī)療設(shè)備的可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中，使用PCRAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠在保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)，降低存儲(chǔ)部分的能耗，提高芯片的能效比。2.2優(yōu)化存儲(chǔ)管理策略采用智能的存儲(chǔ)管理策略可以減少存儲(chǔ)單元的能耗。例如，采用數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)策略，將頻繁訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速、低容量的存儲(chǔ)區(qū)域，將不常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在低速、大容量的存儲(chǔ)區(qū)域。在智慧醫(yī)療的電子病歷系統(tǒng)中，將近期患者的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速緩存中，而歷史病歷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的磁盤中。同時(shí)，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，減少存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，降低存儲(chǔ)單元的讀寫能耗。2.3實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與計(jì)算的協(xié)同優(yōu)化在邊緣計(jì)算存算一體芯片中，存儲(chǔ)和計(jì)算是緊密相關(guān)的。通過實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與計(jì)算的協(xié)同優(yōu)化，可以提高能效比。例如，采用數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)，根據(jù)計(jì)算任務(wù)的需求提前將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元讀取到計(jì)算單元附近，減少數(shù)據(jù)讀取的延遲和能耗。在智慧醫(yī)療的醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備中，根據(jù)影像處理算法的特點(diǎn)，提前將相關(guān)的影像數(shù)據(jù)預(yù)取到計(jì)算單元，避免了頻繁的數(shù)據(jù)讀取操作，提高了芯片的能效比。3.算法優(yōu)化1.3引入異步電路設(shè)計(jì)同步電路依賴全局時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸會(huì)消耗大量能量。異步電路則不依賴全局時(shí)鐘，通過握手信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和操作同步。在邊緣計(jì)算存算一體芯片中引入異步電路設(shè)計(jì)，可以減少時(shí)鐘信號(hào)的功耗。在智慧醫(yī)療設(shè)備的超聲診斷儀中，異步電路可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理的實(shí)際需求進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算，避免了同步電路中時(shí)鐘信號(hào)的持續(xù)耗能，提高了能效比。2.存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)化2.1選用低功耗存儲(chǔ)介質(zhì)在邊緣計(jì)算存算一體芯片中，存儲(chǔ)介質(zhì)的功耗對(duì)整體能效比有重要影響。選擇低功耗的存儲(chǔ)介質(zhì)，如相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（PCRAM）或阻變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）。這些新型存儲(chǔ)介質(zhì)具有非易失性、讀寫速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在智慧醫(yī)療設(shè)備的可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中，使用PCRAM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，能夠在保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)，降低存儲(chǔ)部分的能耗，提高芯片的能效比。2.2優(yōu)化存儲(chǔ)管理策略采用智能的存儲(chǔ)管理策略可以減少存儲(chǔ)單元的能耗。例如，采用數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)策略，將頻繁訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速、低容量的存儲(chǔ)區(qū)域，將不常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在低速、大容量的存儲(chǔ)區(qū)域。在智慧醫(yī)療的電子病歷系統(tǒng)中，將近期患者的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速緩存中，而歷史病歷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的磁盤中。同時(shí)，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，減少存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，降低存儲(chǔ)單元的讀寫能耗。2.3實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與計(jì)算的協(xié)同優(yōu)化在邊緣計(jì)算存算一體芯片中，存儲(chǔ)和計(jì)算是緊密相關(guān)的。通過實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)與計(jì)算的協(xié)同優(yōu)化，可以提高能效比。例如，采用數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)，根據(jù)計(jì)算任務(wù)的需求提前將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)單元讀取到計(jì)算單元附近，減少數(shù)據(jù)讀取的延遲和能耗。在智慧醫(yī)療的醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備中，根據(jù)影像處理算法的特點(diǎn)，提前將相關(guān)的影像數(shù)據(jù)預(yù)取到計(jì)算單元，避免了頻繁的數(shù)據(jù)讀取操作，提高了芯片的能效比。3.算法優(yōu)化3.1采用輕量級(jí)算法在智慧醫(yī)療設(shè)備中，很多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)實(shí)時(shí)性和能效比有較高要求。采用輕量級(jí)算法可以在保證計(jì)算精度的前提下，降低計(jì)算復(fù)雜度和能耗。例如，在心率監(jiān)測(cè)設(shè)備中，采用簡(jiǎn)單的時(shí)域分析算法代替復(fù)雜的頻域分析算法，減少了計(jì)算量和能耗。同時(shí)，對(duì)于醫(yī)學(xué)影像處理，采用輕量級(jí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）架構(gòu)，如MobileNet、ShuffleNet等，這些架構(gòu)在保證一定分類精度的同時(shí)，具有較低的計(jì)算復(fù)雜度和能耗。3.2優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)對(duì)算法的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化可以提高計(jì)算效率和能效比。例如，采用并行計(jì)算和流水線技術(shù)，將一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，并行執(zhí)行或流水執(zhí)行。在智慧醫(yī)療的基因測(cè)序數(shù)據(jù)分析中，將測(cè)序數(shù)據(jù)的比對(duì)、拼接等任務(wù)進(jìn)行并行處理，提高了計(jì)算速度和能效比。同時(shí)，對(duì)算法中的循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件判斷等進(jìn)行優(yōu)化，減少不必要的計(jì)算操作。3.3結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行算法優(yōu)化利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化可以進(jìn)一步提高能效比。例如，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對(duì)芯片的計(jì)算資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，根據(jù)不同的醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)時(shí)計(jì)算需求，自動(dòng)調(diào)整計(jì)算單元的工作模式和資源分配。在智慧醫(yī)療的遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)中，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬、設(shè)備負(fù)載等因素，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)牟呗?，提高芯片的能效比?.電源管理4.1動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）DVFS技術(shù)可以根據(jù)芯片的實(shí)時(shí)計(jì)算負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整供電電壓和工作頻率。在智慧醫(yī)療設(shè)備中，當(dāng)芯片處理低復(fù)雜度的醫(yī)療數(shù)據(jù)時(shí)，降低供電電壓和工作頻率，減少能耗；當(dāng)處理高復(fù)雜度的醫(yī)學(xué)影像或基因測(cè)序數(shù)據(jù)時(shí)，提高供電電壓和工作頻率，保證計(jì)算性能。例如，在可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中，當(dāng)設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的心率監(jiān)測(cè)時(shí)，采用低電壓、低頻率的工作模式；當(dāng)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，適當(dāng)提高電壓和頻率，滿足計(jì)算需求。4.2電源門控技術(shù)電源門控技術(shù)通過在芯片中設(shè)置電源開關(guān)，在不需要某些模塊工作時(shí)，切斷其電源供應(yīng)，減少靜態(tài)功耗。在邊緣計(jì)算存算一體芯片中，對(duì)于一些不常用的計(jì)算單元或存儲(chǔ)模塊，可以采用電源門控技術(shù)。在智慧醫(yī)療的便攜式超聲診斷儀中，當(dāng)某些圖像處理模塊在當(dāng)前操作中不需要使用時(shí)，通過電源門控技術(shù)切斷其電源，降低芯片的整體功耗。4.3能量回收與再利用在智慧醫(yī)療設(shè)備中，部分能量可以通過能量回收技術(shù)進(jìn)行再利用。例如，利用熱電效應(yīng)將設(shè)備產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能，或者利用壓電效應(yīng)將設(shè)備的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能。在可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中，通過熱電發(fā)電機(jī)將人體的熱量轉(zhuǎn)化為電能，為芯片供電，減少對(duì)外部電源的依賴，提高能效比。5.硬件與軟件協(xié)同優(yōu)化5.1硬件定制化設(shè)計(jì)根據(jù)智慧醫(yī)療設(shè)備的特定應(yīng)用需求，對(duì)邊緣計(jì)算存算一體芯片進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。例如，針對(duì)醫(yī)學(xué)影像處理的需求，在芯片中集成專門的圖像處理單元，提高影像處理的效率和能效比。對(duì)于心電監(jiān)測(cè)設(shè)備，定制化設(shè)計(jì)心電信號(hào)處理電路，減少不必要的計(jì)算資源，降低能耗。5.2軟件優(yōu)化與適配對(duì)運(yùn)行在芯片上的軟件進(jìn)行優(yōu)化和適配，使其能夠充分利用芯片的硬件特性。例如，對(duì)醫(yī)學(xué)影像處理軟件進(jìn)行優(yōu)化，采用并行編程模型，充分發(fā)揮芯片的并行計(jì)算能力。同時(shí)，對(duì)軟件的內(nèi)存管理進(jìn)行優(yōu)化，減少內(nèi)存訪問的能耗。在智慧醫(yī)療的電子病歷管理系統(tǒng)中，優(yōu)化軟件的數(shù)據(jù)庫查詢算法，減少數(shù)據(jù)讀取的次數(shù)和能耗。5.3建立硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)框架建立硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)框架，在芯片設(shè)計(jì)的早期階段就考慮軟件和硬件的協(xié)同優(yōu)化。通過該框架，可以對(duì)芯片的硬件架構(gòu)、算法和軟件進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高芯片的整體能效比。例如，在設(shè)計(jì)邊緣計(jì)算存算一體芯片時(shí)，根據(jù)醫(yī)學(xué)影像處理算法的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件架構(gòu)，并對(duì)軟件進(jìn)行適配和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的協(xié)同工作，提高能效比。6.散熱與封裝優(yōu)化6.1高效散熱設(shè)計(jì)良好的散熱設(shè)計(jì)可以保證芯片在正常的溫度范圍內(nèi)工作，提高芯片的性能和能效比。在智慧醫(yī)療設(shè)備中，采用高效的散熱材料和散熱結(jié)構(gòu)。例如，在醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備中，采用散熱片和風(fēng)扇相結(jié)合的散熱方式，將芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去。同時(shí)，優(yōu)化芯片的布局，減少熱量集中區(qū)域，提高散熱效率。6.2先進(jìn)封裝技術(shù)采用先進(jìn)的封裝技術(shù)可以提高芯片的集成度和散熱性能。例如，采用系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)，將多個(gè)芯片和組件封裝在一起，減少芯片之間的連線長(zhǎng)度，降低信號(hào)傳輸?shù)哪芎?。同時(shí)，SiP技術(shù)可以提供更好的散熱通道，提高芯片的散熱效率。在智慧醫(yī)療的可穿戴設(shè)備中，采用SiP技術(shù)將邊緣計(jì)算存算一體芯片、傳感器和通信模塊封裝在一起，提高了設(shè)備的整體性能和能效比。6.3熱管理策略制定合理的熱管理策略可以根據(jù)芯片的溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整芯片的工作狀態(tài)。例如，當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，降低工作頻率或采用電源門控技術(shù)關(guān)閉部分模塊，減少熱量產(chǎn)生；當(dāng)芯片溫度降低時(shí)，恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。在智慧醫(yī)療的大型醫(yī)療設(shè)備中，通過熱傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片溫度，并根據(jù)溫度變化調(diào)整芯片的工作模式，保證芯片的穩(wěn)定運(yùn)行和能效比。7.系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化7.1設(shè)備間協(xié)同計(jì)算在智慧醫(yī)療系統(tǒng)中，不同的醫(yī)療設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同計(jì)算。例如，可穿戴健康監(jiān)測(cè)設(shè)備將采集到的原始數(shù)據(jù)發(fā)送到附近的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步處理，然后將處理結(jié)果發(fā)送到云端進(jìn)行進(jìn)一步分析。通過設(shè)備間的協(xié)同計(jì)算，可以充分利用不同設(shè)備的計(jì)算資源，減少單個(gè)設(shè)備的計(jì)算負(fù)擔(dān)和能耗。在遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)中，可穿戴設(shè)備、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和云端服務(wù)器之間進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，提高了系統(tǒng)的整體能效比。7.2數(shù)據(jù)共享與復(fù)用在智慧醫(yī)療系統(tǒng)中，不同的醫(yī)療應(yīng)用可能會(huì)使用相同的醫(yī)療數(shù)據(jù)。通過實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與復(fù)用，可以減少數(shù)據(jù)的重復(fù)采集和處理，降低能耗。例如，在醫(yī)院的信息系統(tǒng)中，電子病歷數(shù)據(jù)可以被多個(gè)醫(yī)療應(yīng)用共享，避免了重復(fù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理。同時(shí)，對(duì)于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，不同的診斷科室可以共享同一組影像數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的利用率和系統(tǒng)的能效比。7.3系統(tǒng)級(jí)能效評(píng)估與優(yōu)化建立系統(tǒng)級(jí)的能效評(píng)估模型，對(duì)智慧醫(yī)療系統(tǒng)的整體能效進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。通過對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備和組件的能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，找出能效瓶頸，并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。例如，對(duì)醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能效評(píng)估，發(fā)現(xiàn)某些設(shè)備的能耗過高，通過調(diào)整設(shè)備的工作模式、升級(jí)硬件或優(yōu)化軟件等方式，降低系統(tǒng)的整體能耗，提高能效比。8.人才培養(yǎng)與技術(shù)創(chuàng)新8.1加強(qiáng)專業(yè)人才培養(yǎng)培養(yǎng)具備邊緣計(jì)算、存算一體芯片設(shè)計(jì)、智慧醫(yī)療等多領(lǐng)域知識(shí)的專業(yè)人才是提高能效比的關(guān)鍵。高校和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)置和人才培養(yǎng)，開設(shè)邊緣計(jì)算、芯片設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)等課程，培養(yǎng)復(fù)合型人才。同時(shí)，企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)與高校和科研機(jī)構(gòu)的合作，開展產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合培養(yǎng)，為企業(yè)輸送高素質(zhì)的專業(yè)人才。8.2鼓勵(lì)技術(shù)創(chuàng)新政府和