0 引言

SoC即“System on chip”,通俗講為“芯片上的系統(tǒng)”,主要用于便攜式和民用的消費的電子產品。隨著便攜式和民用電子產品的高速發(fā)展,廣大用戶對便攜設備新功能的要求永無止境。于是要求設計人員在設計小型便攜式消費類電子產品時,不僅要縮小產品尺寸、降低成本,更重要的是降低功耗,用戶都希望便攜式產品的電池充電后的工作時間越長越好。于是,系統(tǒng)設計與SoC 設計人員面臨著在增加功能的同時保證電池的使用時間的挑戰(zhàn)。要達到這一點,就需要使用新的節(jié)能技術,比如電壓調節(jié)(voltage scaling) 。在SoC 設計中降低功耗可以用兩種方式來實現(xiàn),一種是開環(huán)電壓調節(jié)(動態(tài)) ,另一種是閉環(huán)(自適應) 電壓控制的方法。

1 頻率調節(jié)與電壓調節(jié)

計算系統(tǒng)在實際期限中執(zhí)行任務。當系統(tǒng)為高負載時,系統(tǒng)要在最大頻率下工作。而當系統(tǒng)負載低時,則允許系統(tǒng)在較低頻率下工作。這種頻率調節(jié)是一種降低運行功耗的有效方式。電壓調節(jié)與頻率調節(jié)相互結合,能夠極大地降低功耗,提高能量效率。動態(tài)電壓調節(jié)(DVS) 是在一個開環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組頻率、電壓對來實現(xiàn)。自適應電壓調節(jié)(AVS) 用一個閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)來實現(xiàn),它無需配對的頻率、電壓,能提供更優(yōu)的節(jié)能效果。

2 開環(huán)動態(tài)電壓調節(jié)(DVS) 和閉環(huán)自適應電壓調節(jié)(AVS)

CMOS 數(shù)字系統(tǒng)的功率是開關功率(動態(tài)) 與泄漏功率的總和,即:P=Pswitch+Pleakage≈CxV2AF + Ileakage 。其中C 表示數(shù)字系統(tǒng)中的開關電容,V 為供電電壓, F 則為開關時鐘頻率,A是開關活動因數(shù),而Ileakage則為漏電流。當允許工作在低于最高頻率時,頻率隨電壓的下降而降低。在DVS 系統(tǒng)中,每種工作頻率的供電電壓值都是所有芯片工藝和溫度變化所需的最差值。當系統(tǒng)在降低的頻率工作時,功耗也顯著下降,因為功率方程中的F和V’兩項均減小。當系統(tǒng)工作在最高頻率時,DVS 方法對恒定電壓沒有節(jié)能效果。閉環(huán)自適應電壓調節(jié)(AVS) 與DVS 系統(tǒng)相比卻有不同。

圖2 是采用PowerWiseTM 先進電源控制器(APC) 以及集成硬件性能監(jiān)控器(HPM) 與電源管理單元(PMU) 的一個閉環(huán)AVS 系統(tǒng)。APC 通過開放標準PowerWise 接口(PWI) 連接到PMU 上。這些組成部分自適應地為多種時鐘頻率、溫度和芯片工藝提供最低供電電壓。閉環(huán)AVS 系統(tǒng)使用嵌入在電壓調節(jié)域中的HPM來監(jiān)控芯片的時序性能,并提供可變電壓系統(tǒng)控制環(huán)路的閉環(huán)機制。由于HPM 與其監(jiān)控的計算系統(tǒng)位于相同的芯片上,因而可以提供芯片工藝補償以及溫度補償。

APC 處理來自HPM的信息,決定是否需要調節(jié)電壓。電壓調節(jié)指令通過PWI 送給PMU。采用低速時序的芯片工藝,ASIC 設計可以在最高溫度下工作。典型的工作溫度和典型的芯片性能會有電壓余量(headroom) 。AVS 系統(tǒng)會檢測這一余量,并調整電壓,使得在所有運行頻率上都有最低的運行功率。

3 閉環(huán)自適應電壓調節(jié)(AVS) 的優(yōu)點

通過在標準芯片上的測試,得出用上面兩種方法來解決功耗問題的結果。如圖3 所示。包括固定電壓開環(huán)DVS 和閉環(huán)AVS 供電系統(tǒng)。

采用AVS、2級DVS和固定供電電壓的0.13微米設計

模擬圖使用了一個±10%的調節(jié)方法,為96MHz、低速模擬模型以及120℃連結溫度等設計工作條件提供固定而且是DVS 的電壓。這些條件代表了一個ASIC 設計中常見的時序分析條件。DVS的數(shù)據(jù)表示了一種兩級式供電系統(tǒng)。在70MHz 以上頻率時,采用1. 2V 供電,而在低于70MHz 頻率時,則提供0.9V 電壓。AVS 的供電電壓等于模擬設計中發(fā)生一個時序錯誤時的電壓與考慮HPM 準確性的適當電壓余度之和。

當系統(tǒng)在可調節(jié)頻率下工作時,DVS 和AVS 共同達成降低固定電壓系統(tǒng)功耗的目的。AVS 在所有工作頻率時都能提供降低功耗的附加功能。達到設計目標頻率的節(jié)能是采用低速芯片時最大頻率與最大度條件下閉環(huán)時序的設計需要。

4 　結論

便攜式產品的芯片的功耗和能效都是系統(tǒng)設計中首要考慮的因素。在SoC 設計中使用DVS 或AVS可以使固定電壓系統(tǒng)獲得顯著的節(jié)能效果。當頻率可調節(jié)系統(tǒng)的工作頻率低于最大設計頻率時,DVS可提供節(jié)電節(jié)能功能。AVS 則在固定頻率系統(tǒng)和可變/ 可調節(jié)頻率系統(tǒng)中發(fā)揮節(jié)電節(jié)能作用。自適應電壓調節(jié)技術(AVS) 可以在SoC 的所有設計工作頻率下,達到顯著的降低功耗目的。

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