摘要

　　現(xiàn)代高頻器件所消耗的電量大約有一半是靜態(tài)電量－漏電與頻率無關(guān)，但與電壓水平相關(guān)，另一半則是動態(tài)電量－基于系統(tǒng)負(fù)載，從而與頻率相關(guān)。由于頻率與電壓水平密切相關(guān)，因此需要較高的電壓水平來驅(qū)動頻率；一般的概念是利用 DVFS－動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較低時，頻率被降低，從而可降低電壓。然而，這種方法只能節(jié)省一定的電量，對負(fù)載變化的反應(yīng)速度較慢，因此也需要更復(fù)雜的系統(tǒng)/板卡解決方案，以不斷適應(yīng)功率和頻率。

　　片上系統(tǒng)尤其是多核器件的優(yōu)勢在于能夠完全打開和關(guān)閉器件的組成部件，以匹配系統(tǒng)負(fù)載。由于在器件內(nèi)部便可完成上述操作，因此不需要如此復(fù)雜的外部電路。然而，在器件內(nèi)打開和關(guān)閉部件過去是一個緩慢的過程，因此不可行，現(xiàn)在這種情況正在發(fā)生改變。

　　通過新一代高端多核器件，飛思卡爾推出了 SRPG（狀態(tài)保持電源門控）概念。這種技術(shù)在掉電時不把模塊狀態(tài)存儲到外部存儲器，而是允許每個觸發(fā)器保存自己的狀態(tài)。因此，整個內(nèi)核、內(nèi)核子集或其他功能塊可即時打開和關(guān)閉。 這推出了一個新的非常有效的執(zhí)行概念，內(nèi)核只在需要時才運行，然后只在可能需要時執(zhí)行單元。

　　本文簡要介紹了現(xiàn)代高端電源管理，以及這種技術(shù)如何與工藝技術(shù)和設(shè)備設(shè)計相關(guān)。然后展示了如何通過利用 SRPG 進一步改進新一代多核器件，以及設(shè)備負(fù)載水平感知等其他 SoC 技術(shù)自動打開和關(guān)閉內(nèi)核。

　　引言

　　隨著半導(dǎo)體器件變得更加強大，因此可能消耗大量的電力，電源管理已經(jīng)成為一個越來越重要的主題。與十年前相比，頻率的競賽已經(jīng)導(dǎo)致事實上的電源上限和通用的高頻。此外，多核和集成度的提高產(chǎn)生了功能非常強大的器件，使功耗管理變得至關(guān)重要。在手機等手持設(shè)備領(lǐng)域也如此，此類設(shè)備應(yīng)在高性能激活狀態(tài)和低功耗的待機狀態(tài)之間進行切換。但在服務(wù)器中心也如此，在服務(wù)器中心每個區(qū)域和/或瓦的性能的重要性日益增加。散熱和功耗以及空間等成本比單個器件的最大性能更加重要。多核如今已成為現(xiàn)實，在兩個中等性能的器件之間分割應(yīng)用與在高性能器件之間分割的難易程度相當(dāng)?；疚锢硗ǔ閮蓚€中等性能的器件比高端器件提供更高的每瓦和每面積匯聚性能，假定應(yīng)用可正確地在內(nèi)核/器件之間進行分割。

　　在這里，我們將展示現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的功耗的基本屬性，然后介紹了可包含在設(shè)備設(shè)計中用于降低功耗的被動節(jié)電功能，這些都很容易理解，但通常不要求軟件具體使用它們。然后，我們將討論需要軟件與硬件合作以充分利用的主動節(jié)電功能。最后將介紹飛思卡爾 QorIQ 器件提供的功耗模式以及它們所利用的功能。

　　電源基礎(chǔ)知識

　　動態(tài)功耗的主要公式為： P = C V2 f

　　其中 P 代表功耗，單位為瓦，C 代表所切換的設(shè)備的電容，V 代表電壓，f 代表切換頻率。如公式所示，功耗隨著頻率呈線性增長，但與電壓呈平方增長。然而，采用特定工藝技術(shù)的器件的最大頻率取決于電壓有多高，信號被驅(qū)動的程度。增加電壓可允許更高的頻率，但同時也會大大增加功耗。這也是停止大多數(shù)增加頻率的做法的根本原因之一。

　　功耗的直接影響是明顯發(fā)熱。雖然功耗本身是有成本的，但主要問題是熱效應(yīng)，因為根據(jù)使用情況需要散熱片、風(fēng)扇、空調(diào)等冷卻設(shè)備。而熱度增加也影響額定電容，增加功耗。這種相關(guān)性是不穩(wěn)定的，可能導(dǎo)致功率快速增加/熱增加，除非熱被轉(zhuǎn)移，或功耗降低（通過抑制性能）。重要的是需要了解器件功耗隨溫度變化有何差異，低結(jié)溫 Tj 25C 和高結(jié)溫 105C 之間的差異可能導(dǎo)致功耗顯著增加，如圖 1 所示。重要的是，如果需要的話板卡電源和熱設(shè)計可以應(yīng)對溫度升高，但同樣重要的是需要了解低溫下的功耗將大大低于器件設(shè)為最大功率時的功耗。因此，在確保低溫的情況下使用器件可降低功耗。例如，許多環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)允許縮減功能，即如果環(huán)境溫度高于正常狀況或風(fēng)扇破裂，風(fēng)速降低，則降低頻率或減少活動內(nèi)核的數(shù)量。借助新的縮減式冷卻方式來降低器件的功耗可使系統(tǒng)回到熱/功率穩(wěn)定狀態(tài)。

　　（圖字）功率

　　圖1：功耗如何隨溫度變化而改變。

　　現(xiàn)代高頻器件所消耗的電量大約有一半是靜態(tài)功率- 漏電與頻率無關(guān)，但與電壓水平有關(guān)，而另一半則是動態(tài)功率 – 基于系統(tǒng)負(fù)荷，因此與頻率及電壓有關(guān)。靜態(tài)和動態(tài)功率之間的合適比率取決于器件的設(shè)計選擇數(shù)量，如工藝技術(shù)、晶體管的選擇和布局。但在包含芯片的各個器件之間和芯片之間也存在自然的工藝差異。漏電較多的晶體管功耗一般也更高，以允許更高的最大頻率。因此，把器件設(shè)置為高速、高功率，或低速、低功率比較常見。然而，器件之間依然存在差異，當(dāng)設(shè)計系統(tǒng)特性時，確保它足夠強大以處理最大功率器件非常重要。同樣重要的是需要了解芯片供應(yīng)商提供的功率數(shù)通常指那些功率最大的器件，而一個典型器件擁有較低的功耗。典型功率器件和最大功率器件之間的功耗可能相差兩倍或更多。

　?。▓D字）內(nèi)核靜態(tài)；內(nèi)核動態(tài)；系統(tǒng)動態(tài)；系統(tǒng)靜態(tài)

　　圖2：多核器件不同子部件的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗差異。

　　板卡和系統(tǒng)設(shè)計人員通常關(guān)注兩種情況：功率最大時- 電源設(shè)計應(yīng)考慮瞬時（子時鐘周期時標(biāo)）最高水平。熱最大值時 - 熱設(shè)計應(yīng)考慮較長時間間隔（從數(shù)秒到數(shù)分鐘）內(nèi)的平均功耗。決定器件功耗的基本參數(shù)是電壓和頻率，其中重要的是觀察最大抖動，電源設(shè)計可能有最大抖動，熱設(shè)計可能有短期平均值。但高端器件通常具有自動節(jié)電功能，我們將在后面討論這個功能，這樣由于器件利用率降低而達到節(jié)電的目的。例如，內(nèi)核功耗往往與利用率成正比，帶靜態(tài)補償，而且DDR內(nèi)存在利用率為零時，幾乎不消耗功率。低利用率還可以在動態(tài)電平和較低的電壓電平時關(guān)閉各個模塊，以降低靜態(tài)功耗。

　　看功率數(shù)時，需要考慮以下參數(shù)：結(jié)溫、器件利用率水平（包括高速緩存的使用率）以了解內(nèi)核效率、電壓 - 平均值或平均值加最大抖動、內(nèi)核和子系統(tǒng)頻率、I/O配置以及群體器件的使用功率- 典型功率還是最大功率。

　　被動節(jié)電

　　降低功耗是設(shè)計半導(dǎo)體裝置的一個重要組成部分。可使用許多先進技術(shù)來降低功耗，而無需任何或僅需非常有限的活動系統(tǒng)和軟件感知。在本節(jié)，我們將討論時鐘門控、打盹模塊和電壓 ID。

　　時鐘門控

　　由于一個模塊的動態(tài)功耗取決于頻率，因此我們通過降低頻率或在不使用時將其完全關(guān)閉就可以大大減少動態(tài)功耗。時鐘門控技術(shù)是一種常用技術(shù)，在這個技術(shù)中，一個模塊的啟用信號關(guān)聯(lián)到本地時鐘信號。當(dāng)模塊被禁用時，時鐘也將被停止，從而消除了動態(tài)功率。時鐘門控技術(shù)也可用于減少芯片尺寸，從而降低功耗，因為時鐘停止則無需在模塊內(nèi)啟用信號傳播。

　　時鐘門控技術(shù)多用于較大的模塊，如內(nèi)核、DDR 控制器、接口、加密單元等，但它也可在模塊內(nèi)使用。例如，通常內(nèi)核運行的頻率比系統(tǒng)內(nèi)其他部件的頻率高，因而對動態(tài)功耗更敏感。因此，可以對內(nèi)核中的組件，如浮點單元、矢量處理引擎或單個執(zhí)行塊實行門控。子組件時鐘的啟用和禁用取決于管道中的指令。

　　飛思卡爾已將廣泛的時鐘門控應(yīng)用于幾代器件，而且將繼續(xù)將其作為產(chǎn)品設(shè)計工藝的一個重要組成部分。

　　打盹模塊

　　電壓水平對于靜態(tài)和動態(tài)功耗都至關(guān)重要，，但降低電壓就不能以給定的頻率正確執(zhí)行。然而，正如時鐘門控技術(shù)可短期節(jié)省模塊的功率一樣，電壓水平也可以臨時改變。這一理念利用了狀態(tài)保持需要的電壓比狀態(tài)變化需要的電壓更少這一事實。把模塊置于這種低電壓模式被稱為 “打盹”狀態(tài)。然而，實施打盹功能比時鐘門控技術(shù)更復(fù)雜，它還需要盡早指示狀態(tài)變化，這樣電壓水平可以即時調(diào)回，而不影響性能。

　　打盹狀態(tài)的典型實施方法不是為了降低 Vdd，而是為了提高接地電平。最終的效果是相同的，降低電壓差和減少漏電。飛思卡爾在 45nm P50x0 器件的高速緩存中推出打盹功能，而且 28nm e6500 內(nèi)核支持打盹功能。

　?。▓D字）正常；打盹

　　圖3：提高接地以降低相對于 Vdd 的電壓差，從而降低靜態(tài)和動態(tài)功耗。

　　電壓 ID

　　電壓識別 - VID，監(jiān)控半導(dǎo)體器件制造的工藝變化。假定漏晶體管能提供快速器件 - 即更易驅(qū)動，以及高功耗器件，那么通?？梢酝ㄟ^采用較低的電壓來降低速度和功耗。這可以使器件群更緊密地聯(lián)系在一起，從而產(chǎn)生更統(tǒng)一的系統(tǒng)，同時實現(xiàn)更大的產(chǎn)出。

　　帶VID的器件在生產(chǎn)測試階段會獲得標(biāo)識，這個標(biāo)識會通過熔斷或其它永久機械手段印在器件上。然而，需要電源能夠慢慢調(diào)節(jié)電壓才能讓 VID 起作用。在啟動過程中會讀取 ID，并相應(yīng)地調(diào)整電壓。

　?。▓D字）功率；頻率；頻率過低；功率過高

　　圖4：通過這個示例可以看到器件群如何傳播以及 VID 如何能允許電源規(guī)格之外的器件移入，或者看到推動群聚集以便使功率和頻率更統(tǒng)一。

　　主動節(jié)電

　　感知所需的性能/吞吐量可以進一步節(jié)電。這通常通過讓軟件指定性能需求（如操作系統(tǒng)觀察空閑狀態(tài)，盡可能降低性能）來實現(xiàn)。正如下文所述，它也可以通過硬件感應(yīng)硬件塊上的系統(tǒng)負(fù)荷，特別是使用硬件排隊機制來實現(xiàn)。在復(fù)雜系統(tǒng)中，對于優(yōu)化功耗來說，來自空調(diào)、風(fēng)扇和其它熱設(shè)備的功耗比單個器件更重要。由于功耗隨著溫度升高而大大增加，因此熱感應(yīng)是一個重要方面。

　　動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)

　　器件利用率低可以減少其計算吞吐量，一般來說，最簡單方法是通過降低內(nèi)核的時鐘頻率來實現(xiàn)，從而節(jié)省動態(tài)功耗。降低頻率通常容易實現(xiàn)：使用來自同一個系統(tǒng)定時器但帶有不同頻率輸出的多個 PLL。也可以使用一個 PLL 并擁有時鐘分頻器將頻率減半，或減少四分之一等來實現(xiàn)同樣目的。多核器件經(jīng)常把幾個 PLL 融合在一起，用于這些內(nèi)核，而且每個內(nèi)核有數(shù)個分頻器。這樣可允許每個內(nèi)核根據(jù)其負(fù)載 以獨立的頻率范圍運行。這種技術(shù)稱為動態(tài)頻率調(diào)節(jié)（Dynamic Frequency Scaling） - DFS，常用于飛思卡爾的 QorIQ 產(chǎn)品中，請參見圖 5 的實施示例。

　?。▓D字）系統(tǒng)時鐘；時鐘選擇（每 CPU）；e500 內(nèi)核；I-緩存；D-緩存；128KB L2 緩存

　　圖5：使用 PLL 和分頻器組合的多核器件的頻率選擇實施示例。

　　如果降低頻率，則不再需要努力驅(qū)動器件，也同樣可以減少電壓。這將影響動態(tài)和靜態(tài)功耗，并且其增益比單獨的 DFS 更大。動態(tài)電壓調(diào)節(jié) – DVS 本身是不可能實現(xiàn)的，因此，它通常被稱為 DVFS。雖然電壓調(diào)節(jié)的好處更多，但也更為復(fù)雜。正如 VID 要求電源能夠慢慢改變電壓水平， DVS 也是如此。有了 DVS，操作時也需要實現(xiàn)動態(tài)化，并面臨一些挑戰(zhàn)。多核器件的每個內(nèi)核通常有不同的電壓需求，以實現(xiàn)節(jié)能，同時內(nèi)核可能處于不同的負(fù)載下，而且隨著內(nèi)核數(shù)量的增加，需要的電源平面數(shù)量相當(dāng)大，這對于直接成本和板卡面積來說是不切實際的，而且非常昂貴。其次，改變電壓水平的過程相對較慢，從低負(fù)載情況調(diào)整到突發(fā)情況會增加過程延遲，會導(dǎo)致不均衡的過程時間，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。在實時系統(tǒng)中，這往往是不可取的。飛思卡爾的 QorIQ 器件不支持 DVS，但推出了不同的技術(shù)–SRPG，更好地發(fā)揮了現(xiàn)代器件有多個內(nèi)核的優(yōu)勢，接下來我們將討論這個方面。

　　狀態(tài)保持功率門控

　　最高能效的節(jié)電是完全關(guān)閉所有不需要的部件，節(jié)省所有動態(tài)和靜態(tài)功耗，采用多核器件已使其成為了現(xiàn)實，因為增加的內(nèi)核數(shù)量改進了功率/性能粒度。然而，這還不是非常切合實際，因為它需要大量的時間和精力來恢復(fù)執(zhí)行狀態(tài)。對于內(nèi)核而言，這是一個部分啟動程序，需要重新初始化內(nèi)核寄存器、堆棧和堆配置、MMU 等，此外，還要將內(nèi)核添加到操作系統(tǒng)調(diào)度程序。關(guān)閉部分器件也難以有效地實施，因為啟用和禁用部分之間的電壓差很容易導(dǎo)致不穩(wěn)定、漏電、甚至損壞組件。模塊之間的隔離也會影響塊本身的性能。此外，還需要有不同的電源平面，這會增加芯片尺寸或外部組件的數(shù)量。

　　飛思卡爾應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的解決方案是在高端 QorIQ 器件中推出了 SRPG –狀態(tài)保持功率門控（SRPG）。其思路是將模塊狀態(tài)保持門控與非狀態(tài)保持邏輯分開供電，非狀態(tài)保持邏輯通常是較大的集。SRPG允許在低功耗和活動狀態(tài)之間非?？焖俚剡M行轉(zhuǎn)換，本質(zhì)上說是VDD回調(diào)，并且必須重新達到一個穩(wěn)定水平 - 這通?？赡苁且粋€亞微秒事件。與完全關(guān)閉的概念類似，SRPG理念節(jié)省了全部動態(tài)功耗和幾乎所有靜態(tài)功耗。該技術(shù)的高速功能允許不同的執(zhí)行方式，其中模塊始終處于關(guān)閉狀態(tài)，直到被主動請求要執(zhí)行一些任務(wù)，隨后它們被喚醒，執(zhí)行任務(wù)，然后又返回到低功耗狀態(tài)。這一概念經(jīng)常用于超低功耗 MCU 解決方案中。然而，根據(jù)應(yīng)用使用情況可能需要修改軟件。

　?。▓D字）邏輯；flip flop：觸發(fā)器

　　圖6：將狀態(tài)保持觸發(fā)器和邏輯分開供電，可使邏輯掉電，并在空閑和激活模式之間快速切換。

　　熱傳感

　　器件的性能、功耗和結(jié)溫之間有緊密的聯(lián)系，這樣能夠感應(yīng)到它們并能夠在系統(tǒng)開始出現(xiàn)不穩(wěn)定的功率狀態(tài)時做出反應(yīng)，就變得很重要。在許多位置都可以感應(yīng)到溫度，但最重要、最準(zhǔn)確的溫度感應(yīng)直接在芯片本身上。集成式溫度傳感器長期以來一直是高性能器件的標(biāo)準(zhǔn)，但后來一般只采用一個模擬輸出，這需要一個外部 ADC 將溫度進行數(shù)字化處理并進行反饋，通常通過一些標(biāo)準(zhǔn)的接口，如 I2C，來執(zhí)行。

　　由于半導(dǎo)體器件的功耗隨著溫度的增加而增加，因此當(dāng) Tj 較高時，以更高的速率運行外部冷卻設(shè)備是典型的節(jié)電做法。然而，最佳溫度取決于器件和系統(tǒng)的功能、位置等綜合因素，并且最有效點（sweet spot）會變化。因此，更精確的溫度傳感器、快速反饋和更寬的芯片溫度設(shè)置可節(jié)省電力，因為它可以提供更嚴(yán)格的控制回路，以平衡內(nèi)部負(fù)載、控制外部溫度，如風(fēng)扇和 AC。因此，飛思卡爾在努力為 QorIQ 器件開發(fā)一個完整的集成式溫度單元。該溫度單元將包含多個高精度溫度傳感器（針對芯片的不同部件）以及集??成的 ADC、統(tǒng)計和看門狗/中斷功能。

　　負(fù)載傳感

　　與溫度傳感同樣重要的是要了解系統(tǒng)負(fù)載，過去通過內(nèi)核負(fù)載檢查實現(xiàn)。然而，內(nèi)核負(fù)載只告訴我們瞬時工作和突發(fā)情況，而空閑系統(tǒng)可能提供一個錯誤的視圖?，F(xiàn)代多核器件還擁有與內(nèi)核分隔開的高度自主的加速器。因此，系統(tǒng)負(fù)載不一定與內(nèi)核負(fù)載相同。

　　飛思卡爾的DPAA（數(shù)據(jù)路徑加速架構(gòu)）技術(shù)表達了這樣一個概念：傳統(tǒng)的低端器件驅(qū)動器被推到硬件中以降低緩沖器和隊列管理等負(fù)載。硬件了解隊列情況，這可以提供一個新的硬件負(fù)載傳感功能，從而有助于電源管理。飛思卡爾將這一概念稱之為級聯(lián)電源管理（Cascaded power management）。該技術(shù)可根據(jù)隊列情況通知內(nèi)核進入睡眠模式或被喚醒。還可以檢測處于低功耗模式時的突發(fā)狀況時，并可根據(jù)配置采取適當(dāng)?shù)男袆?；可以是保持低功耗模式并用活動?nèi)核來進行處理，或喚醒其他內(nèi)核。

　　結(jié)論

　　電源管理變得越來越重要，多核器件為平衡功耗和性能提供了許多新方法。本文開頭部分描述了影響功耗的一些基本要素，然后介紹了解決這些問題的新概念和技術(shù)。被動和主動節(jié)電技術(shù)發(fā)揮了重要作用，這些技術(shù)使功耗始終保持在最低限度，還可以根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載情況最大限度地降低功耗。

　　Freescale和Freescale標(biāo)識是飛思卡爾半導(dǎo)體公司在美國專利商標(biāo)局注冊的商標(biāo)。CoreNet 和 QorIQ是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的商標(biāo)。所有其他產(chǎn)品和服務(wù)名稱是其各自所有者的財產(chǎn)。Power Architecture和Power .org文字標(biāo)識及Power和Power.org標(biāo)識及相關(guān)標(biāo)識是Power.org的許可商標(biāo)和服務(wù)標(biāo)識。