電壓調(diào)節(jié)技術(shù)用于SoC低功耗設(shè)計

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(fèi)的電子產(chǎn)品。隨著便攜式和民用電子產(chǎn)品的高速發(fā)展,廣大用戶對便攜設(shè)備新功能的要求永無止境。于是要求設(shè)計人員在設(shè)計小型便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品時,不僅要縮小產(chǎn)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(chǎn)品的電池充電后的工作時間越長越好。于是,系統(tǒng)設(shè)計與SoC 設(shè)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(dá)到這一點(diǎn),就需要使用新的節(jié)能技術(shù),比如電壓調(diào)節(jié)(voltage scaling) 。在SoC 設(shè)計中降低功耗可以用兩種方式來實(shí)現(xiàn),一種是開環(huán)電壓調(diào)節(jié)(動態(tài)) ,另一種是閉環(huán)(自適應(yīng)) 電壓控制的方法。

1 頻率調(diào)節(jié)與電壓調(diào)節(jié)

計算系統(tǒng)在實(shí)際期限中執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)為高負(fù)載時,系統(tǒng)要在最大頻率下工作。而當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載低時,則允許系統(tǒng)在較低頻率下工作。這種頻率調(diào)節(jié)是一種降低運(yùn)行功耗的有效方式。電壓調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)相互結(jié)合,能夠極大地降低功耗,提高能量效率。動態(tài)電壓調(diào)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(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS) 用一個閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)來實(shí)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(diào)節(jié)(DVS) 和閉環(huán)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)

CMOS 數(shù)字系統(tǒng)的功率是開關(guān)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(guān)電容,V 為供電電壓, F 則為開關(guān)時鐘頻率,A是開關(guān)活動因數(shù),而Ileakage則為漏電流。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS) 與DVS 系統(tǒng)相比卻有不同。

圖2 是采用PowerWiseTM 先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)PowerWise 接口(PWI) 連接到PMU 上。這些組成部分自適應(yīng)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(diào)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(jī)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(bǔ)償以及溫度補(bǔ)償。

APC 處理來自HPM的信息,決定是否需要調(diào)節(jié)電壓。電壓調(diào)節(jié)指令通過PWI 送給PMU。采用低速時序的芯片工藝,ASIC 設(shè)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(diào)整電壓,使得在所有運(yùn)行頻率上都有最低的運(yùn)行功率。

3 閉環(huán)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS) 的優(yōu)點(diǎn)

通過在標(biāo)準(zhǔn)芯片上的測試,得出用上面兩種方法來解決功耗問題的結(jié)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(shè)計

模擬圖使用了一個±10%的調(diào)節(jié)方法,為96MHz、低速模擬模型以及120℃連結(jié)溫度等設(shè)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(shè)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(shè)計中發(fā)生一個時序錯誤時的電壓與考慮HPM 準(zhǔn)確性的適當(dāng)電壓余度之和。

當(dāng)系統(tǒng)在可調(diào)節(jié)頻率下工作時,DVS 和AVS 共同達(dá)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(dá)到設(shè)計目標(biāo)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(shè)計需要。

4 　結(jié)論

便攜式產(chǎn)品的芯片的功耗和能效都是系統(tǒng)設(shè)計中首要考慮的因素。在SoC 設(shè)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(dāng)頻率可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作頻率低于最大設(shè)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(diào)節(jié)頻率系統(tǒng)中發(fā)揮節(jié)電節(jié)能作用。自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(AVS) 可以在SoC 的所有設(shè)計工作頻率下,達(dá)到顯著的降低功耗目的。

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