傳授壓箱絕技:從SoC設計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設計 , 功耗管理
當今的系統設計人員受益于芯片系統(SoC)設計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,系統設計團隊必須要知道,實(shí)際是怎樣進(jìn)行SoC功耗管理的。他們必須對整個(gè)系統進(jìn)行功耗規劃。他們必須針對最終用戶(hù)體驗到的系統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。系統設計人員必須要理解片內功耗管理過(guò)程以及系統其它部分之間的相互作用,或者,他們會(huì )發(fā)現,盡可能降低功耗會(huì )導致效率降低,甚至是嚴重的故障。

這些難題并不會(huì )隨時(shí)間變化而逐漸變得簡(jiǎn)單。芯片設計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。在今年的設計自動(dòng)化大會(huì )的一次小組討論中,TI專(zhuān)家Clive Bittlestone說(shuō):“有很多種方法,我們正在嘗試全部使用它們。芯片設計人員要盡可能降低功耗而忽略了回報,可能導致加重系統設計人員的工作。而對于節能,系統設計是一個(gè)新的前沿領(lǐng)域。Bittlestone承認:“在晶體管級,我們已經(jīng)達到了飽和。下一最關(guān)鍵的問(wèn)題是在系統級!

SoC設計人員所做的工作

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,也有需要系統其它部分主動(dòng)參與的方法,有些對外部電路還會(huì )產(chǎn)生重要影響。

有幾種門(mén)級功耗管理方法,應用在IC設計流程中,對于系統設計人員而言是透明的。例如,對于基于單元設計的設計工具——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據變化。這類(lèi)方法能夠顯著(zhù)降低功耗,不需要來(lái)自系統其它部分的任何輸入,對性能也不會(huì )有任何影響。

其它方法則需要來(lái)自系統管理硬件或者軟件的大量幫助。一個(gè)例子是動(dòng)態(tài)電壓頻率調整(DVFS)。在DVFS中,軟件估算系統在某一模式下,模塊所需要的最佳性能。然后,軟件指導模塊——通常是CPU或者加速器,以足夠的時(shí)鐘頻率運行,滿(mǎn)足系統要求,而電壓則剛好滿(mǎn)足該頻率要求。同一原理更嚴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,這些方法需要系統軟件知道某一模式下系統的資源需求,例如 圖1所示。這些知識要求兩類(lèi)很難獲得的信息:實(shí)際最終用戶(hù)將在系統中采用的使用模式,每一模式中的系統資源和性能要求。例如,用戶(hù)的智能電話(huà)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)行恰當的實(shí)時(shí)糾正嗎?確定模塊在一定時(shí)間內需要以多快的速度運行——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)所需要的系統資源。

除了上面的信息,系統設計人員必須理解SoC各種功耗模式的延時(shí)和開(kāi)銷(xiāo)成本。相對而言,這可能需要很長(cháng)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。系統中的其他器件能夠承受這些延時(shí)嗎?當系統空閑時(shí),CPU內核能夠關(guān)斷嗎,或者需要電源失效以及喚醒等監控功能嗎?

對于專(zhuān)用標準產(chǎn)品和微控制器,一般在數據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)間內工作在哪一級。

SoC規劃人員提醒說(shuō):“這些芯片非常復雜。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!

只要您使用供應商的參考設計,按照其設計人員提供的方法進(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)始設計,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。這些發(fā)現不一定是正面的。

要知道SoC哪一部分在工作,延時(shí)會(huì )變化多少,以及這對于系統行為意味著(zhù)什么等等,都是問(wèn)題。但是還有更棘手的問(wèn)題——片內功耗管理方法會(huì )通過(guò)電源線(xiàn)影響系統的其他部分。

電源線(xiàn)上的問(wèn)題

至少有三種方法,其復雜的功耗管理技術(shù)使得系統電源設計人員的工作日益復雜——排序問(wèn)題、大負載性能以及瞬變響應等。穩壓器等功率IC供應商采取了很多措施來(lái)處理所有這些問(wèn)題。但是,缺少參考設計時(shí),系統設計團隊不得不既進(jìn)行探測又進(jìn)行設計。 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有大量的獨立電壓域。任何具有多個(gè)電壓域的IC都要求電源線(xiàn)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或者其他電壓可調方案,排序可能與不同域之間內部電平移位器的狀態(tài)有關(guān)。一般而言,SoC設計人員采用了內部排序電路不讓系統設計人員了解復雜程度,但并不總是這樣。

原理上,滿(mǎn)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,大部分現代電壓穩壓器都有支持排序和跟蹤的引腳。市場(chǎng)上還有系統控制器產(chǎn)品,專(zhuān)門(mén)用于管理過(guò)程。

即使如此,完全滿(mǎn)足復雜的電源管理SoC的需求,就要求SoC供應商和電源組件供應商進(jìn)行密切的合作。但,還是會(huì )出現錯誤。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。對于系統中有多個(gè)SoC類(lèi)芯片的情況,還是需要系統設計人員為不同芯片集成電源參考設計,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)題與現代SoC功耗管理技術(shù)更直接相關(guān)一些,即,負載范圍。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。電壓穩壓器需要在整個(gè)范圍內提供足夠的穩壓和波紋。特別是電流需求非常低時(shí),穩壓器必須非常高效,否則,將抵消SoC所規劃的低功耗。

Odabaee建議說(shuō):“您必須定義大負載工作時(shí)的穩壓器!彼嵝颜f(shuō),待機和全速電流輸出使得穩壓器判決非常復雜。傳統上,設計人員會(huì )選擇開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)高效滿(mǎn)足大電流負載,但是,會(huì )為低電流模式選擇線(xiàn)性穩壓器。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)穩壓器μModule器件中使用的一種方法是Burst Mode工作。穩壓器在大電流輸出時(shí)正常工作,低負載時(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,它提供了足夠的穩壓功能,同時(shí)有效的降低了自己的能耗,而且不需要復雜的多個(gè)開(kāi)關(guān)頻率。

轉換中的問(wèn)題

從相同的穩壓器為每一不同的負載提供電流有很大的難度,而處理負載突然變化導致的瞬變會(huì )更加困難?焖贊M(mǎn)足新電流需求會(huì )導致增加新組件。Odabaee說(shuō):“在大功率系統中,您在穩壓器上可能需要幾種輸出電容。穩壓器自己的響應一般不足以滿(mǎn)足高速負載瞬變!

即使是在低功耗移動(dòng)系統中,瞬變響應問(wèn)題也會(huì )以奇怪的方式出現。Power Integrations公司的市場(chǎng)副總裁Doug Bailey從系統AC/DC轉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)出現了問(wèn)題。

Bailey說(shuō):“AC/DC轉換器很難處理快速瞬變問(wèn)題。主機側控制器只檢測到控制器發(fā)送脈沖時(shí)的負載,當負載較小時(shí),這并不常出現。因此,如果負載迅速增大,那么,控制器無(wú)法跟上去!盉ailey補充說(shuō),設計人員可以通過(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,導致成本增加,帶來(lái)可靠性問(wèn)題,這些都不利于移動(dòng)設備。

Bailey說(shuō):“更好的解決方案是慢慢增加負載。而目前的實(shí)際情況是,設計SoC的人員占主導地位,而設計電源的人員說(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)設備一樣,系統SoC要處理大量的電池管理工作。當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(huì )導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)出報警聲。發(fā)出報警聲后,用戶(hù)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A(yíng)C適配器上有嚴格的電壓穩壓規范,但是,由于在SoC設計上要進(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(huà)也遇到了非常相似的情況,而且結果可能更令人煩惱。當用戶(hù)插上電話(huà)后,系統SoC開(kāi)始充電,一般會(huì )出現不受控的浪涌。這種瞬變導致SoC檢測到充電失敗,關(guān)斷充電電路,而且不會(huì )通知用戶(hù)。因此,用戶(hù)進(jìn)入甜美的夢(mèng)鄉,直到第二天早晨,被窗外的鳥(niǎo)兒吵醒,卻發(fā)現放在床頭柜上的電話(huà)根本就沒(méi)有充電。

這些問(wèn)題不僅僅出現在智能電話(huà)上。Bailey說(shuō):“最終,SoC產(chǎn)生的瞬變導致重新進(jìn)行電源設計!

即使電源管理電路中的穩壓器能夠保持出現的瞬變,系統設計人員還是沒(méi)有完全解決這些問(wèn)題。瞬變的幅度和速度會(huì )使得設計人員對電源進(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,電源設計人員通常轉向采用Linear Technology公司的LTspice軟件,因為該公司提供穩壓器器件模型庫,以及電源設計人員友好的用戶(hù)界面。

穩壓器和SoC之間的走線(xiàn)阻抗等問(wèn)題有可能成為很難解決的問(wèn)題。如果SoC的電源管理設計產(chǎn)生較大的負載瞬變,可能會(huì )導致非常復雜的布板,或者昂貴的其他電路板層,如圖2所示,對于電源系統設計人員,穩壓器會(huì )處理瞬變。

除了穩壓,還有信號完整性問(wèn)題。供電電源線(xiàn)出現快速大電流瞬變,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(xiàn),以及信號線(xiàn)。IC物理設計人員比較熟悉這類(lèi)信號完整性分析,但是,對于大部分電路板設計人員而言,設計起來(lái)會(huì )有一定的難度。


圖2.Stratix V開(kāi)發(fā)板的第13層,顯示了設計人員選擇分配整個(gè)板層,將穩壓器(右下側)連接至VCC。很難有更好的解決方案來(lái)處理大電流瞬變。

Odabaee強調說(shuō):“參考設計非常重要。我們這樣的供應商通過(guò)查看設計來(lái)提供幫助。但是,設計一個(gè)50-Amp、0.9-V系統仍然需要很高的技巧!盠inear Technology公司合作伙伴解決方案經(jīng)理Gerard Velcelean也同意這一觀(guān)點(diǎn):“老板讓內部員工來(lái)處理這些問(wèn)題。而小組人員如果不借助參考設計,很有可能會(huì )遇到問(wèn)題!

結論

現代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,出現不良結果的風(fēng)險就越大,這些結果可能會(huì )與系統使用模型沖突,使得電源設計更加復雜,或者不可預測的失效模式等。當然,SoC供應商會(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)現電源管理系統的接口,以方便系統設計人員的使用!钡词谷绱,更重要的是,SoC用戶(hù)應采用參考設計,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
本文地址:http://selenalain.com/thread-97445-1-1.html     【打印本頁(yè)】

本站部分文章為轉載或網(wǎng)友發(fā)布,目的在于傳遞和分享信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀(guān)點(diǎn)和對其真實(shí)性負責;文章版權歸原作者及原出處所有,如涉及作品內容、版權和其它問(wèn)題,我們將根據著(zhù)作權人的要求,第一時(shí)間更正或刪除。
您需要登錄后才可以發(fā)表評論 登錄 | 立即注冊

關(guān)于我們  -  服務(wù)條款  -  使用指南  -  站點(diǎn)地圖  -  友情鏈接  -  聯(lián)系我們
電子工程網(wǎng) © 版權所有   京ICP備16069177號 | 京公網(wǎng)安備11010502021702
快速回復 返回頂部 返回列表
午夜高清国产拍精品福利|亚洲色精品88色婷婷七月丁香|91久久精品无码一区|99久久国语露脸精品|动漫卡通亚洲综合专区48页