NB的低功耗電源管理設(shè)計挑戰(zhàn)

作者：歐敏銓

筆記本電腦應(yīng)可說是目前眾多電子產(chǎn)品中，設(shè)計難度屬一屬二的產(chǎn)品。在要求愈做愈輕薄的條件下，它還必須具備與桌上型計算機相當(dāng)?shù)墓δ埽械腘B更定位為娛樂用筆電，強調(diào)視聽表現(xiàn)的能力，其效能等級更是不能等閑視之。

除了與視聽相關(guān)的處理器、顯示器、繪圖卡／芯片、聲卡等組件外，包括硬盤、無線調(diào)制解調(diào)器等組件的功能也在不斷提升，如何在滿足廣泛性高階應(yīng)用的同時，仍能讓NB的使用壽命保持在可接受的程度，甚至還能延長時間，這就要靠電源管理的技術(shù)。

對于多數(shù)的電子設(shè)備來說，電源管理皆占有極重要的地位。對于如NB的可攜式設(shè)備或嵌入式設(shè)備來說，電源管理有助于延長電池的使用時間，并能降低熱量的產(chǎn)生；對于桌上型計算機或服務(wù)器來說，雖然沒有電池壽命的限制，但也需降低用電成本，而重要的是避免產(chǎn)生高熱及讓人難以忍受的風(fēng)扇噪音。

低功耗設(shè)計原則

要達(dá)到低功耗的電源管理設(shè)計，必須從個別組件（甚至是晶體管等級）到整個系統(tǒng)的不同層面都做出完善的考慮，例如從系統(tǒng)層次、架構(gòu)層次、邏輯層次或電路層次等角度來思考最佳化的電源管理作法，讓效能與功耗能做達(dá)到最理想的平衡狀態(tài)。這樣看起來，電源管理似乎是一項極為復(fù)雜的任務(wù)。就策略面來說，確實如此；但若就理論面來看，其實道理是蠻單純的。以NB來說，它是由CPU、硬盤、內(nèi)存等單元所組成，整體的功耗來自所有子系統(tǒng)的功耗加總。因此，要降低功耗，必須先從底層的芯片用電來考慮。

一個半導(dǎo)體芯片的耗電來自于動態(tài)功耗（Dynamic Power）和靜態(tài)功耗（Static Power）兩大面向。其中動態(tài)功耗來自于訊號切換、運作中的電力消耗，在此過程中負(fù)載電容會充放電和電流切換；靜態(tài)功耗則是當(dāng)組件處于待機狀態(tài)時產(chǎn)生的電流泄露功耗，它和使用的工藝、芯片尺寸和晶體管中的電壓有密切關(guān)系。

靜態(tài)功耗主要得靠芯片的工藝與設(shè)計技術(shù)來克服，例如采用特殊的晶體管類型來降低電路閘功耗。動態(tài)功耗則與組件運作的模式有關(guān)，其電源消耗的公式如下：

Pdynamic = Capacitance × Voltage2 × Frequency

從這個方程式中我們可以看出，動態(tài)功耗來自于負(fù)載電容充放電和電流的切換，其中電壓與功耗是平方關(guān)系，對功耗的直接影響最大，也就是說電壓愈高，相對的功耗也會以級數(shù)上升；高速的頻率同樣也是提升功耗的殺手。因此降低電壓與頻率是節(jié)省動態(tài)功耗的基本策略，電子產(chǎn)業(yè)也已對此提出種種的因應(yīng)措施。圖一即顯示出因頻率改變帶來的線性省能效益。



ACPI電源管理策略

在PC/NB的電源管理技術(shù)上，最受重視當(dāng)是先進(jìn)組態(tài)和電源界面（Advanced Configuration and Power Interface；ACPI）規(guī)范。它是一項開放性的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由HP、Intel、Microsoft、Phoenix和Toshiba共同開發(fā)，并定義出硬件辨識、主機板和設(shè)備組態(tài)及電源管理的通用接口。ACPI最早在1996年12月提出，最新的版本是2006年12月提出的3.0b版規(guī)范。

ACPI的核心技術(shù)是以操作系統(tǒng)直接進(jìn)行組態(tài)及電源管理（Operating System-based configuration and Power Management；OSPM）。當(dāng)支持ACPI的操作系統(tǒng)為設(shè)備進(jìn)入初始化后，OSPM會取代既有系統(tǒng)所建置的舊有功能，例如APM BIOS、SMM-base韌體和PNPBIOS等。完成后，OSPM會開始管理主機板上設(shè)備的組態(tài)事件，以及基于用戶的偏好設(shè)定、應(yīng)用功能需求及操作系統(tǒng)的質(zhì)量保證（QoS）／使用目標(biāo)等因素來控制系統(tǒng)的電源、效能和散熱狀態(tài)。

ACPI針對計算機的全區(qū)系統(tǒng)狀態(tài)（Global system states, Gx states）、個別設(shè)備的電源狀態(tài)（device power state）、休眠模式（sleeping mode）、處理器的電源狀態(tài)及設(shè)備和處理器的效能狀態(tài)都做了多層次的定義，讓PC或NB能視不同的使用狀態(tài)選擇適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砟Ｊ健?br>
以全區(qū)系統(tǒng)狀態(tài)來說，即分為工作狀態(tài)（G0 working）、睡眠狀態(tài)（G1 sleeping）、軟關(guān)機（G2/S5 soft off）、機械性關(guān)機（G3 Mechanical off），不同狀態(tài)下的軟件執(zhí)行需求、回復(fù)時間及耗電性等等條件皆有不同，請參考(表一)。此外，ACPI也對個別設(shè)備的電源狀態(tài)做出定義，包括正常運作（D0），兩個低功耗模式（D1、D2）及停止運作（D3）四個階段，請參考（表二）。



處理器的電源狀態(tài)與設(shè)備的模式相似，也分為C0到C3四個階段。C1到C3為節(jié)能模式；在C0的正常運作狀態(tài)下，還可以分為效能狀態(tài)（Px）和節(jié)流狀態(tài)（Throtting）兩種功耗管理模式，大多數(shù)的x86處理器只支持節(jié)流狀態(tài)，但新的CPU已強調(diào)支持效能狀態(tài)了，因此模式能更細(xì)膩地依應(yīng)用需求來安排處理器（或設(shè)備）的效能與耗電性。效能狀態(tài)的層次是由處理器（或設(shè)備）業(yè)者自行定義，最多可分為16個效能狀態(tài)。

ACPI中另一個值得一提的規(guī)范，也就是它對休眠模式的定義。ACPI將休眠模式分為從S1到S5的五個等級，隨著等級的增加，CPU、系統(tǒng)快取功能、芯片組、系統(tǒng)內(nèi)存等功能會陸續(xù)暫停工作。但S5的軟關(guān)機（soft off）階段時，連操作系統(tǒng)都會停止工作，要再回復(fù)工作必須重新啟動操作系統(tǒng)才行。