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傳授壓箱絕技:從SoC設(shè)計(jì)人員那都了解不到的功耗管理問(wèn)題

發(fā)布時(shí)間:2012-9-13 10:46    發(fā)布者:wp1981
關(guān)鍵詞: SoC設(shè)計(jì) , 功耗管理
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(jí)功耗管理上的巨大投入。但是對(duì)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功耗規(guī)劃。他們必須針對(duì)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(jiǎn)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(guò)程以及系統(tǒng)其它部分之間的相互作用,或者,他們會(huì)發(fā)現(xiàn),盡可能降低功耗會(huì)導(dǎo)致效率降低,甚至是嚴(yán)重的故障。

這些難題并不會(huì)隨時(shí)間變化而逐漸變得簡(jiǎn)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(tīng)起來(lái)非常激進(jìn)的想法。在今年的設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)的一次小組討論中,TI專家Clive Bittlestone說(shuō):“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(duì)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(jí),我們已經(jīng)達(dá)到了飽和。下一最關(guān)鍵的問(wèn)題是在系統(tǒng)級(jí)。”

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(duì)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(duì)外部電路還會(huì)產(chǎn)生重要影響。

有幾種門(mén)級(jí)功耗管理方法,應(yīng)用在IC設(shè)計(jì)流程中,對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言是透明的。例如,對(duì)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(mén),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(lái)自系統(tǒng)其它部分的任何輸入,對(duì)性能也不會(huì)有任何影響。

其它方法則需要來(lái)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(jí)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(shí)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(huì)被關(guān)斷,這并不是一個(gè)簡(jiǎn)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(kāi)銷成本。相對(duì)而言,這可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)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(duì)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(jí)。

SoC規(guī)劃人員提醒說(shuō):“這些芯片非常復(fù)雜。會(huì)有很多不同的功耗管理方法同時(shí)在工作。坦白的說(shuō),對(duì)于芯片而言最重要的方法是保密的——我們并沒(méi)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(kāi)始設(shè)計(jì),以創(chuàng)新的方式來(lái)使用芯片,那么,您可能會(huì)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(huì)變化多少,以及這對(duì)于系統(tǒng)行為意味著什么等等,都是問(wèn)題。但是還有更棘手的問(wèn)題——片內(nèi)功耗管理方法會(huì)通過(guò)電源線影響系統(tǒng)的其他部分。

電源線上的問(wèn)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(wèn)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(lái)處理所有這些問(wèn)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(cè)又進(jìn)行設(shè)計(jì)。 讓我們首先看一下排序問(wèn)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(méi)有難度。Afshin Odabaee是Linear Technology公司μModule電源產(chǎn)品的產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理,他指出,SoC多年以來(lái)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(chǎng)上還有系統(tǒng)控制器產(chǎn)品,專門(mén)用于管理過(guò)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(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。在某些情況下,重要的SoC約束并沒(méi)有將其放到最終記錄中。對(duì)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(huì)違反其他器件的排序要求。

第二個(gè)問(wèn)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(wèn)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(huì)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(mén)和電源邏輯門(mén)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(shuō):“您必須定義大負(fù)載工作時(shí)的穩(wěn)壓器。”他提醒說(shuō),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(huì)選擇開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)高效滿足大電流負(fù)載,但是,會(huì)為低電流模式選擇線性穩(wěn)壓器。Odabaee說(shuō),作為更可行的解決方案,業(yè)界選擇了能夠跨過(guò)多個(gè)域的方法。在某些Linear Technology開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。

轉(zhuǎn)換中的問(wèn)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(huì)更加困難。快速滿足新電流需求會(huì)導(dǎo)致增加新組件。Odabaee說(shuō):“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(wèn)題也會(huì)以奇怪的方式出現(xiàn)。Power Integrations公司的市場(chǎng)副總裁Doug Bailey從系統(tǒng)AC/DC轉(zhuǎn)換器的角度看到了問(wèn)題,不是在全功率工作時(shí),而是在休眠時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題。

Bailey說(shuō):“AC/DC轉(zhuǎn)換器很難處理快速瞬變問(wèn)題。主機(jī)側(cè)控制器只檢測(cè)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(wú)法跟上去。”Bailey補(bǔ)充說(shuō),設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)增加真正的大電容來(lái)暫時(shí)掩蓋這一問(wèn)題。但是,大電解電容占的空間大,導(dǎo)致成本增加,帶來(lái)可靠性問(wèn)題,這些都不利于移動(dòng)設(shè)備。

Bailey說(shuō):“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(shuō)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(huì)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(duì)電池充電時(shí),它將AC適配器的電流輸出至電池倉(cāng)。突然的瞬變會(huì)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(huì)拿起他的iPhone,看到什么事情也沒(méi)有發(fā)生,又想回去睡覺(jué),只是有可能會(huì)做惡夢(mèng),關(guān)于蘋(píng)果的惡夢(mèng)。實(shí)際上,正是出于這一原因,蘋(píng)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(méi)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(kāi)始充電,一般會(huì)出現(xiàn)不受控的浪涌。這種瞬變導(dǎo)致SoC檢測(cè)到充電失敗,關(guān)斷充電電路,而且不會(huì)通知用戶。因此,用戶進(jìn)入甜美的夢(mèng)鄉(xiāng),直到第二天早晨,被窗外的鳥(niǎo)兒吵醒,卻發(fā)現(xiàn)放在床頭柜上的電話根本就沒(méi)有充電。

這些問(wèn)題不僅僅出現(xiàn)在智能電話上。Bailey說(shuō):“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(méi)有完全解決這些問(wèn)題。瞬變的幅度和速度會(huì)使得設(shè)計(jì)人員對(duì)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(kù),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(wèn)題有可能成為很難解決的問(wèn)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(huì)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(duì)于電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員,穩(wěn)壓器會(huì)處理瞬變。

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


圖2.Stratix V開(kāi)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(lái)處理大電流瞬變。

Odabaee強(qiáng)調(diào)說(shuō):“參考設(shè)計(jì)非常重要。我們這樣的供應(yīng)商通過(guò)查看設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)處理這些問(wèn)題。而小組人員如果不借助參考設(shè)計(jì),很有可能會(huì)遇到問(wèn)題。”

結(jié)論

現(xiàn)代SoC——無(wú)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(huì)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(cè)的失效模式等。當(dāng)然,SoC供應(yīng)商會(huì)提供幫助。TI的Bittlestone說(shuō):“我們用了很多的邏輯門(mén)來(lái)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(wèn)題。


作者:Ron Wilson

總編輯,Altera公司
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