SoC芯片級功耗管理技術(shù)

當(dāng)今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員受益于芯片系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)人員在芯片級功耗管理上的巨大投入。但是對于實(shí)際能耗非常小的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須要知道，實(shí)際是怎樣進(jìn)行SoC功耗管理的。他們必須對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功耗規(guī)劃。他們必須針對最終用戶體驗(yàn)到的系統(tǒng)使用模式建立精確的模型。這些都不是簡單的任務(wù)，把所有這些方法合在一起也還不夠。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須要理解片內(nèi)功耗管理過程以及系統(tǒng)其它部分之間的相互作用，或者，他們會發(fā)現(xiàn)，盡可能降低功耗會導(dǎo)致效率降低，甚至是嚴(yán)重的故障。

這些難題并不會隨時(shí)間變化而逐漸變得簡單。芯片設(shè)計(jì)人員在提高能效方面嘗試了很多方法，提出了聽起來非常激進(jìn)的想法。在今年的設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(DAC)的一次小組討論中，TI專家Clive Bittlestone說：“有很多種方法，我們正在嘗試全部使用它們。芯片設(shè)計(jì)人員要盡可能降低功耗而忽略了回報(bào)，可能導(dǎo)致加重系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。而對于節(jié)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)新的前沿領(lǐng)域。Bittlestone承認(rèn)：“在晶體管級，我們已經(jīng)達(dá)到了飽和。下一最關(guān)鍵的問題是在系統(tǒng)級。”

SoC設(shè)計(jì)人員所做的工作

正如Bittlestone所建議的，SoC功耗管理技術(shù)所采用的方法一直在不斷增加。這包括一些很普通的方法，對管芯之外的任何東西都是透明的。但是，也有需要系統(tǒng)其它部分主動(dòng)參與的方法，有些對外部電路還會產(chǎn)生重要影響。

有幾種門級功耗管理方法，應(yīng)用在IC設(shè)計(jì)流程中，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言是透明的。例如，對于基于單元設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工具——至少一個(gè)FPGA品牌，可以在具有較大泄漏的高速單元和低泄漏電流慢速單元之間自動(dòng)進(jìn)行選擇。綜合工具可以分析邏輯，插入時(shí)鐘邏輯門，關(guān)斷任何寄存器的時(shí)鐘，使得在其工作周期中看不到明顯的數(shù)據(jù)變化。這類方法能夠顯著降低功耗，不需要來自系統(tǒng)其它部分的任何輸入，對性能也不會有任何影響。

其它方法則需要來自系統(tǒng)管理硬件或者軟件的大量幫助。一個(gè)例子是動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)。在DVFS中，軟件估算系統(tǒng)在某一模式下，模塊所需要的最佳性能。然后，軟件指導(dǎo)模塊——通常是CPU或者加速器，以足夠的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，滿足系統(tǒng)要求，而電壓則剛好滿足該頻率要求。同一原理更嚴(yán)格的方法是模塊級電源選通。在這個(gè)例子中，軟件確定目前還不需要模塊，切斷模塊的電源。

很顯然，這些方法需要系統(tǒng)軟件知道某一模式下系統(tǒng)的資源需求，例如 圖1 所示。這些知識要求兩類很難獲得的信息：實(shí)際最終用戶將在系統(tǒng)中采用的使用模式，每一模式中的系統(tǒng)資源和性能要求。例如，用戶的智能電話要求蜂窩射頻和GPS接收器同時(shí)工作嗎?如果是，那么，GPS能夠進(jìn)入低功耗近似跟蹤模式，或者，它需要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)糾正嗎?確定模塊在一定時(shí)間內(nèi)需要以多快的速度運(yùn)行——即使它可能會被關(guān)斷，這并不是一個(gè)簡單的任務(wù)。

圖1.視頻/播放/錄像模式(頂部)、DVR回放模式(中間)，以及空閑模式(底部)所需要的系統(tǒng)資源。

除了上面的信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須理解SoC各種功耗模式的延時(shí)和開銷成本。相對而言，這可能需要很長的時(shí)間來改變CPU的時(shí)鐘頻率，使其能夠保持狀態(tài)，關(guān)斷，然后重新恢復(fù)。系統(tǒng)中的其他器件能夠承受這些延時(shí)嗎?當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)，CPU內(nèi)核能夠關(guān)斷嗎，或者需要電源失效以及喚醒等監(jiān)控功能嗎?

對于專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和微控制器，一般在數(shù)據(jù)表中很好的記錄了序列和延時(shí)信息。不一定記錄狀態(tài)改變時(shí)的能耗成本。即使有記錄，并不是一直能夠掌握SoC中的哪些模塊在一定時(shí)間內(nèi)工作在哪一級。

SoC規(guī)劃人員提醒說：“這些芯片非常復(fù)雜。會有很多不同的功耗管理方法同時(shí)在工作。坦白的說，對于芯片而言最重要的方法是保密的——我們并沒有記錄它們。”

只要您使用供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)，按照其設(shè)計(jì)人員提供的方法進(jìn)行工作，那么，朋友之間最好保持一些秘密。但是，如果您從基本芯片開始設(shè)計(jì)，以創(chuàng)新的方式來使用芯片，那么，您可能會有些新發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)不一定是正面的。

要知道SoC哪一部分在工作，延時(shí)會變化多少，以及這對于系統(tǒng)行為意味著什么等等，都是問題。但是還有更棘手的問題——片內(nèi)功耗管理方法會通過電源線影響系統(tǒng)的其他部分。

電源線上的問題

至少有三種方法，其復(fù)雜的功耗管理技術(shù)使得系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)人員的工作日益復(fù)雜——排序問題、大負(fù)載性能以及瞬變響應(yīng)等。穩(wěn)壓器等功率IC供應(yīng)商采取了很多措施來處理所有這些問題。但是，缺少參考設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不得不既進(jìn)行探測又進(jìn)行設(shè)計(jì)。 讓我們首先看一下排序問題。幾乎每一種較好的功耗管理技術(shù)都要求SoC有大量的獨(dú)立電壓域。任何具有多個(gè)電壓域的IC都要求電源線按照一定的順序冷啟動(dòng)，每次一個(gè)，或者互相跟蹤。實(shí)際上，某些器件即使是突然斷電時(shí)，也要求電源按照一定的順序進(jìn)行關(guān)斷。如果某些電壓域能夠工作在幾種不同的電壓下——正如DVFS或者其他電壓可調(diào)方案，排序可能與不同域之間內(nèi)部電平移位器的狀態(tài)有關(guān)。一般而言，SoC設(shè)計(jì)人員采用了內(nèi)部排序電路不讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解復(fù)雜程度，但并不總是這樣。

原理上，滿足排序要求并沒有難度。Afshin Odabaee是Linear Technology公司µModule®電源產(chǎn)品的產(chǎn)品市場經(jīng)理，他指出，SoC多年以來一直要求進(jìn)行電源排序，大部分現(xiàn)代電壓穩(wěn)壓器都有支持排序和跟蹤的引腳。市場上還有系統(tǒng)控制器產(chǎn)品，專門用于管理過程。

即使如此，完全滿足復(fù)雜的電源管理SoC的需求，就要求SoC供應(yīng)商和電源組件供應(yīng)商進(jìn)行密切的合作。但，還是會出現(xiàn)錯(cuò)誤。在某些情況下，重要的SoC約束并沒有將其放到最終記錄中。對于系統(tǒng)中有多個(gè)SoC類芯片的情況，還是需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為不同芯片集成電源參考設(shè)計(jì)，確定一個(gè)器件不會違反其他器件的排序要求。

第二個(gè)問題與現(xiàn)代SoC功耗管理技術(shù)更直接相關(guān)一些，即，負(fù)載范圍。問題是，需要大量的功耗管理工作，而且要工作的很好。低電壓軌的電流需求——例如，內(nèi)核邏輯供電等，會變化很大，從休眠模式的幾百毫安到全功率模式時(shí)內(nèi)部電路處理時(shí)鐘邏輯門和電源邏輯門的幾十安培。電壓穩(wěn)壓器需要在整個(gè)范圍內(nèi)提供足夠的穩(wěn)壓和波紋。特別是電流需求非常低時(shí)，穩(wěn)壓器必須非常高效，否則，將抵消SoC所規(guī)劃的低功耗。

Odabaee建議說：“您必須定義大負(fù)載工作時(shí)的穩(wěn)壓器。”他提醒說，待機(jī)和全速電流輸出使得穩(wěn)壓器判決非常復(fù)雜。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員會選擇開關(guān)穩(wěn)壓器來高效滿足大電流負(fù)載，但是，會為低電流模式選擇線性穩(wěn)壓器。Odabaee說，作為更可行的解決方案，業(yè)界選擇了能夠跨過多個(gè)域的方法。在某些Linear Technology開關(guān)穩(wěn)壓器µModule器件中使用的一種方法是Burst Mode®工作。穩(wěn)壓器在大電流輸出時(shí)正常工作，低負(fù)載時(shí)則切換到突發(fā)模式，控制器僅在偶然突發(fā)時(shí)工作。這樣，它提供了足夠的穩(wěn)壓功能，同時(shí)有效的降低了自己的能耗，而且不需要復(fù)雜的多個(gè)開關(guān)頻率。

轉(zhuǎn)換中的問題

從相同的穩(wěn)壓器為每一不同的負(fù)載提供電流有很大的難度，而處理負(fù)載突然變化導(dǎo)致的瞬變會更加困難。快速滿足新電流需求會導(dǎo)致增加新組件。Odabaee說：“在大功率系統(tǒng)中，您在穩(wěn)壓器上可能需要幾種輸出電容。穩(wěn)壓器自己的響應(yīng)一般不足以滿足高速負(fù)載瞬變。”

即使是在低功耗移動(dòng)系統(tǒng)中，瞬變響應(yīng)問題也會以奇怪的方式出現(xiàn)。Power Integrations公司的市場副總裁Doug Bailey從系統(tǒng)AC/DC轉(zhuǎn)換器的角度看到了問題，不是在全功率工作時(shí)，而是在休眠時(shí)出現(xiàn)了問題。

Bailey說：“AC/DC轉(zhuǎn)換器很難處理快速瞬變問題。主機(jī)側(cè)控制器只檢測到控制器發(fā)送脈沖時(shí)的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，這并不常出現(xiàn)。因此，如果負(fù)載迅速增大，那么，控制器無法跟上去。”Bailey補(bǔ)充說，設(shè)計(jì)人員可以通過增加真正的大電容來暫時(shí)掩蓋這一問題。但是，大電解電容占的空間大，導(dǎo)致成本增加，帶來可靠性問題，這些都不利于移動(dòng)設(shè)備。

Bailey說：“更好的解決方案是慢慢增加負(fù)載。而目前的實(shí)際情況是，設(shè)計(jì)SoC的人員占主導(dǎo)地位，而設(shè)計(jì)電源的人員說了不算。”

這種分工并不總是能夠很好的工作。Bailey引用了兩個(gè)例子——這些都不僅涉及到大突發(fā)工作電流，而且，器件也會進(jìn)入電池充電模式。在iPhone中，正如很多移動(dòng)設(shè)備一樣，系統(tǒng)SoC要處理大量的電池管理工作。當(dāng)SoC確定需要對電池充電時(shí)，它將AC適配器的電流輸出至電池倉。突然的瞬變會導(dǎo)致低成本適配器讓電壓暫時(shí)下降，使得SoC理解為電源失效，發(fā)出報(bào)警聲。發(fā)出報(bào)警聲后，用戶會拿起他的iPhone，看到什么事情也沒有發(fā)生，又想回去睡覺，只是有可能會做惡夢，關(guān)于蘋果的惡夢。實(shí)際上，正是出于這一原因，蘋果公司在AC適配器上有嚴(yán)格的電壓穩(wěn)壓規(guī)范，但是，由于在SoC設(shè)計(jì)上要進(jìn)行一些瑣碎的決定，因此，公司沒有在適配器上進(jìn)行大量的投入。

三星Galaxy III智能電話也遇到了非常相似的情況，而且結(jié)果可能更令人煩惱。當(dāng)用戶插上電話后，系統(tǒng)SoC開始充電，一般會出現(xiàn)不受控的浪涌。這種瞬變導(dǎo)致SoC檢測到充電失敗，關(guān)斷充電電路，而且不會通知用戶。因此，用戶進(jìn)入甜美的夢鄉(xiāng)，直到第二天早晨，被窗外的鳥兒吵醒，卻發(fā)現(xiàn)放在床頭柜上的電話根本就沒有充電。

這些問題不僅僅出現(xiàn)在智能電話上。Bailey說：“最終，SoC產(chǎn)生的瞬變導(dǎo)致重新進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。”

即使電源管理電路中的穩(wěn)壓器能夠保持出現(xiàn)的瞬變，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還是沒有完全解決這些問題。瞬變的幅度和速度會使得設(shè)計(jì)人員對電源進(jìn)行全面的AC電路分析，包括，布板的雜散電容。這一般是SPICE的工作，電源設(shè)計(jì)人員通常轉(zhuǎn)向采用Linear Technology公司的LTspice®軟件，因?yàn)樵摴咎峁┓€(wěn)壓器器件模型庫，以及電源設(shè)計(jì)人員友好的用戶界面。

穩(wěn)壓器和SoC之間的走線阻抗等問題有可能成為很難解決的問題。如果SoC的電源管理設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的負(fù)載瞬變，可能會導(dǎo)致非常復(fù)雜的布板，或者昂貴的其他電路板層，如圖2所示，對于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，穩(wěn)壓器會處理瞬變。

除了穩(wěn)壓，還有信號完整性問題。供電電源線出現(xiàn)快速大電流瞬變，可能會成為耦合噪聲的主要來源，這些噪聲會影響電路板上的其他電源線，以及信號線。IC物理設(shè)計(jì)人員比較熟悉這類信號完整性分析，但是，對于大部分電路板設(shè)計(jì)人員而言，設(shè)計(jì)起來會有一定的難度。

圖2.Stratix V開發(fā)板的第13層，顯示了設(shè)計(jì)人員選擇分配整個(gè)板層，將穩(wěn)壓器(右下側(cè))連接至VCC。很難有更好的解決方案來處理大電流瞬變

Odabaee強(qiáng)調(diào)說：“參考設(shè)計(jì)非常重要。我們這樣的供應(yīng)商通過查看設(shè)計(jì)來提供幫助。但是，設(shè)計(jì)一個(gè)50-Amp、0.9-V系統(tǒng)仍然需要很高的技巧。”Linear Technology公司合作伙伴解決方案經(jīng)理Gerard Velcelean也同意這一觀點(diǎn)：“老板讓內(nèi)部員工來處理這些問題。而小組人員如果不借助參考設(shè)計(jì)，很有可能會遇到問題。”

結(jié)論

現(xiàn)代SoC——無論是ASIC、ASSP還是FPGA，其隱含的一些技巧能夠有效的降低能耗。但是，這些技巧越隱含，出現(xiàn)不良結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)就越大，這些結(jié)果可能會與系統(tǒng)使用模型沖突，使得電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，或者不可預(yù)測的失效模式等。當(dāng)然，SoC供應(yīng)商會提供幫助。TI的Bittlestone說：“我們用了很多的邏輯門來實(shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)的接口，以方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的使用。”但即使如此，更重要的是，SoC用戶應(yīng)采用參考設(shè)計(jì)，或者深入理解他們所遇到的問題。