很多同學(xué)問(wèn)DVFS技術(shù)怎么實(shí)現(xiàn)的，這里小編就和大家掰扯掰扯SoC芯片的DVFS技術(shù)吧。

1. DVFS技術(shù)介紹

DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）即動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)，是一種高效的低功耗技術(shù)，它通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整工作電壓和時(shí)鐘頻率，以達(dá)到降低功耗的目的。

在CMOS電路中，功耗主要由動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩部分組成，而DVFS技術(shù)主要通過(guò)調(diào)整這兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)功耗的降低。

2. 動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗

在CMOS電路中，動(dòng)態(tài)功耗由以下公式給出：

其中，C 代表負(fù)載電容的容值，V 是工作電壓，f 為工作頻率。從公式可以看出，動(dòng)態(tài)功耗與電壓的平方和頻率成正比。因此，通過(guò)降低電壓和頻率可以有效減少動(dòng)態(tài)功耗。

靜態(tài)功耗主要由漏電流引起，可以用以下公式表示：

其中，I 是漏電流，V 是工作電壓。由于靜態(tài)功耗與電壓成正比，降低電壓也能顯著減少靜態(tài)功耗。

3. DVFS的實(shí)現(xiàn)方式

1）電壓

為了實(shí)現(xiàn)DVFS，芯片的電源模塊需要能夠提供多級(jí)輸出電壓，通常是通過(guò)多個(gè)不同輸出電壓的LDO（Low Dropout Regulator）和選擇開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。DVFS控制邏輯會(huì)輸出控制向量以選擇所需的電壓，電源管理模塊會(huì)自動(dòng)完成電壓源的切換。

2）時(shí)鐘

時(shí)鐘頻率的控制則是通過(guò)集成在芯片內(nèi)部的CGU（Clock Generator Unit）來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可以為系統(tǒng)提供特定頻率的時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)時(shí)鐘源進(jìn)行分頻或升頻。

DVFS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于對(duì)工作電壓和頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：

DVS (Dynamic Voltage Scaling): 通過(guò)固定電壓-頻率對(duì)應(yīng)點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)電壓，適用于對(duì)性能要求較為穩(wěn)定的應(yīng)用場(chǎng)景。

AVS (Adaptive Voltage Scaling): 能夠在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)電壓數(shù)值，適用于對(duì)性能要求更為靈活的應(yīng)用場(chǎng)景。

4. DVFS的挑戰(zhàn)與策略

在實(shí)際應(yīng)用中，DVFS技術(shù)面臨著一些挑戰(zhàn)，主要包括：

時(shí)序收斂: 由于電壓和頻率的變化，需要在多個(gè)工作模式和條件下進(jìn)行時(shí)序收斂，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

工作負(fù)載預(yù)測(cè): 為了有效降低功耗，需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的工作負(fù)載，選擇合適的供電電壓和時(shí)鐘頻率。

針對(duì)這些挑戰(zhàn)，可以采取以下策略：

負(fù)載模型: 在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)模塊工作的時(shí)間長(zhǎng)度，并設(shè)定不同閾值，以觸發(fā)DVFS轉(zhuǎn)換。就是工作負(fù)載的粗略模型可以通過(guò)在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)模塊工作的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)建立，并設(shè)定不同的閾值。高閾值對(duì)應(yīng)高電壓高頻率，低閾值對(duì)應(yīng)低電壓低頻率。每當(dāng)統(tǒng)計(jì)值穿過(guò)閾值邊界時(shí)，就會(huì)觸發(fā)DVFS的轉(zhuǎn)換。

在實(shí)際的系統(tǒng)中，每個(gè)CPU或DSP可能有自己的獨(dú)立DVFS調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此可以根據(jù)本模塊的特點(diǎn)制定出更精確的負(fù)載模型，以取得更優(yōu)的功耗表現(xiàn)。

調(diào)節(jié)順序: 安全的調(diào)節(jié)機(jī)制是，提升功率時(shí)先提升電壓再提升頻率，降低功率時(shí)先降低頻率再降低電壓。

在當(dāng)前的芯片實(shí)現(xiàn)工藝下，更高的頻率通常需要更高的供電電壓。這是因?yàn)楦叩念l率意味著動(dòng)態(tài)功率消耗的增加，而更高的供電電壓可以提供更大的電源功率以滿足需求。因此，再次強(qiáng)調(diào)，安全的調(diào)節(jié)機(jī)制是：

當(dāng)需要提升功率時(shí)，應(yīng)先提升供電電壓，然后提升時(shí)鐘頻率。

當(dāng)需要降低功率時(shí)，應(yīng)先降低時(shí)鐘頻率，再降低供電電壓。

調(diào)節(jié)算法可以是軟件實(shí)現(xiàn)，也可以是硬件實(shí)現(xiàn)，具體取決于資源消耗情況和DVFS響應(yīng)時(shí)間的要求。

5. 總結(jié)

DVFS技術(shù)是數(shù)字后端設(shè)計(jì)中重要的低功耗技術(shù)之一。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整工作電壓和頻率，可以有效降低芯片的功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，并減少能源消耗。然而，DVFS技術(shù)的實(shí)施需要克服時(shí)序收斂的復(fù)雜性和工作負(fù)載預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性等挑戰(zhàn)。通過(guò)合理的策略和精確的控制，DVFS技術(shù)能夠在保證性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化。

審核編輯：黃飛