面向新一代多核器件的电源管理技术

　　摘要

　　现代高频器件所消耗的电量大约有一半是静态电量－漏电与频率无关，但与电压水平相关，另一半则是动态电量－基于系统负载，从而与频率相关。由于频率与电压水平密切相关，因此需要较高的电压水平来驱动频率；一般的概念是利用 DVFS－动态电压和频率调节。也就是说，当系统负载较低时，频率被降低，从而可降低电压。然而，这种方法只能节省一定的电量，对负载变化的反应速度较慢，因此也需要更复杂的系统/板卡解决方案，以不断适应功率和频率。

　　片上系统尤其是多核器件的优势在于能够完全打开和关闭器件的组成部件，以匹配系统负载。由于在器件内部便可完成上述操作，因此不需要如此复杂的外部电路。然而，在器件内打开和关闭部件过去是一个缓慢的过程，因此不可行，现在这种情况正在发生改变。

　　通过新一代高端多核器件，飞思卡尔推出了 SRPG（状态保持电源门控）概念。这种技术在掉电时不把模块状态存储到外部存储器，而是允许每个触发器保存自己的状态。因此，整个内核、内核子集或其他功能块可即时打开和关闭。 这推出了一个新的非常有效的执行概念，内核只在需要时才运行，然后只在可能需要时执行单元。

　　本文简要介绍了现代高端电源管理，以及这种技术如何与工艺技术和设备设计相关。然后展示了如何通过利用 SRPG 进一步改进新一代多核器件，以及设备负载水平感知等其他 SoC 技术自动打开和关闭内核。

　　引言

　　随着半导体器件变得更加强大，因此可能消耗大量的电力，电源管理已经成为一个越来越重要的主题。与十年前相比，频率的竞赛已经导致事实上的电源上限和通用的高频。此外，多核和集成度的提高产生了功能非常强大的器件，使功耗管理变得至关重要。在手机等手持设备领域也如此，此类设备应在高性能激活状态和低功耗的待机状态之间进行切换。但在服务器中心也如此，在服务器中心每个区域和/或瓦的性能的重要性日益增加。散热和功耗以及空间等成本比单个器件的最大性能更加重要。多核如今已成为现实，在两个中等性能的器件之间分割应用与在高性能器件之间分割的难易程度相当。基本物理通常为两个中等性能的器件比高端器件提供更高的每瓦和每面积汇聚性能，假定应用可正确地在内核/器件之间进行分割。

　　在这里，我们将展示现代半导体器件的功耗的基本属性，然后介绍了可包含在设备设计中用于降低功耗的被动节电功能，这些都很容易理解，但通常不要求软件具体使用它们。然后，我们将讨论需要软件与硬件合作以充分利用的主动节电功能。最后将介绍飞思卡尔 QorIQ 器件提供的功耗模式以及它们所利用的功能。

　　电源基础知识

　　动态功耗的主要公式为： P = C V2 f

　　其中 P 代表功耗，单位为瓦，C 代表所切换的设备的电容，V 代表电压，f 代表切换频率。如公式所示，功耗随着频率呈线性增长，但与电压呈平方增长。然而，采用特定工艺技术的器件的最大频率取决于电压有多高，信号被驱动的程度。增加电压可允许更高的频率，但同时也会大大增加功耗。这也是停止大多数增加频率的做法的根本原因之一。

　　功耗的直接影响是明显发热。虽然功耗本身是有成本的，但主要问题是热效应，因为根据使用情况需要散热片、风扇、空调等冷却设备。而热度增加也影响额定电容，增加功耗。这种相关性是不稳定的，可能导致功率快速增加/热增加，除非热被转移，或功耗降低（通过抑制性能）。重要的是需要了解器件功耗随温度变化有何差异，低结温 Tj 25C 和高结温 105C 之间的差异可能导致功耗显著增加，如图 1 所示。重要的是，如果需要的话板卡电源和热设计可以应对温度升高，但同样重要的是需要了解低温下的功耗将大大低于器件设为最大功率时的功耗。因此，在确保低温的情况下使用器件可降低功耗。例如，许多环保标准允许缩减功能，即如果环境温度高于正常状况或风扇破裂，风速降低，则降低频率或减少活动内核的数量。借助新的缩减式冷却方式来降低器件的功耗可使系统回到热/功率稳定状态。

　　（图字）功率

　　图1：功耗如何随温度变化而改变。

　　现代高频器件所消耗的电量大约有一半是静态功率- 漏电与频率无关，但与电压水平有关，而另一半则是动态功率 – 基于系统负荷，因此与频率及电压有关。静态和动态功率之间的合适比率取决于器件的设计选择数量，如工艺技术、晶体管的选择和布局。但在包含芯片的各个器件之间和芯片之间也存在自然的工艺差异。漏电较多的晶体管功耗一般也更高，以允许更高的最大频率。因此，把器件设置为高速、高功率，或低速、低功率比较常见。然而，器件之间依然存在差异，当设计系统特性时，确保它足够强大以处理最大功率器件非常重要。同样重要的是需要了解芯片供应商提供的功率数通常指那些功率最大的器件，而一个典型器件拥有较低的功耗。典型功率器件和最大功率器件之间的功耗可能相差两倍或更多。

　　（图字）内核静态；内核动态；系统动态；系统静态

　　图2：多核器件不同子部件的静态功耗和动态功耗差异。

　　板卡和系统设计人员通常关注两种情况：功率最大时- 电源设计应考虑瞬时（子时钟周期时标）最高水平。热最大值时 - 热设计应考虑较长时间间隔（从数秒到数分钟）内的平均功耗。决定器件功耗的基本参数是电压和频率，其中重要的是观察最大抖动，电源设计可能有最大抖动，热设计可能有短期平均值。但高端器件通常具有自动节电功能，我们将在后面讨论这个功能，这样由于器件利用率降低而达到节电的目的。例如，内核功耗往往与利用率成正比，带静态补偿，而且DDR内存在利用率为零时，几乎不消耗功率。低利用率还可以在动态电平和较低的电压电平时关闭各个模块，以降低静态功耗。

　　看功率数时，需要考虑以下参数：结温、器件利用率水平（包括高速缓存的使用率）以了解内核效率、电压 - 平均值或平均值加最大抖动、内核和子系统频率、I/O配置以及群体器件的使用功率- 典型功率还是最大功率。

　　被动节电

　　降低功耗是设计半导体装置的一个重要组成部分。可使用许多先进技术来降低功耗，而无需任何或仅需非常有限的活动系统和软件感知。在本节，我们将讨论时钟门控、打盹模块和电压 ID。

　　时钟门控

　　由于一个模块的动态功耗取决于频率，因此我们通过降低频率或在不使用时将其完全关闭就可以大大减少动态功耗。时钟门控技术是一种常用技术，在这个技术中，一个模块的启用信号关联到本地时钟信号。当模块被禁用时，时钟也将被停止，从而消除了动态功率。时钟门控技术也可用于减少芯片尺寸，从而降低功耗，因为时钟停止则无需在模块内启用信号传播。

　　时钟门控技术多用于较大的模块，如内核、DDR 控制器、接口、加密单元等，但它也可在模块内使用。例如，通常内核运行的频率比系统内其他部件的频率高，因而对动态功耗更敏感。因此，可以对内核中的组件，如浮点单元、矢量处理引擎或单个执行块实行门控。子组件时钟的启用和禁用取决于管道中的指令。

　　飞思卡尔已将广泛的时钟门控应用于几代器件，而且将继续将其作为产品设计工艺的一个重要组成部分。