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引言:盡管芯片級(jí)集成、亞微米制造工藝都有助于減小手機(jī)的尺寸并實(shí)現(xiàn)更多的功能,但是更小的亞微米工藝會(huì)加劇靜態(tài)漏電流問(wèn)題。于是便攜式移動(dòng)設(shè)備制造商面臨既要降低功耗又要增強(qiáng)系統(tǒng)性能的艱巨挑戰(zhàn)。本文討論的SmartReflex技術(shù)可在SoC芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)具有智能、自適應(yīng)功能的電源和性能管理解決方案。
圖1:SmartReflex技術(shù)框架。
今天的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設(shè)備功率預(yù)算面臨著空前的挑戰(zhàn),只有功能強(qiáng)大的完整電源管理方法才能解決這些挑戰(zhàn)。這種方法開(kāi)始于工藝技術(shù),并逐步向硬件、系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)架構(gòu)和軟件方面發(fā)展。
無(wú)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)商強(qiáng)烈呼吁在手機(jī)中增加更多的功能,以使他們能開(kāi)發(fā)出增加每用戶(hù)平均收入(ARPU)的新業(yè)務(wù)。而用戶(hù)也希望獲得新的功能。視頻、移動(dòng)數(shù)字電視、高保真音頻、三維視頻游戲、數(shù)字?jǐn)z影、安全應(yīng)用和其它功能將很快會(huì)打破以往的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn):一塊充電電池最少維持4小時(shí)通話(huà)時(shí)間和超過(guò)120小時(shí)的待機(jī)時(shí)間。電池容量永遠(yuǎn)跟不上手機(jī)層出不窮、激動(dòng)人心的新功能。雖然用戶(hù)愿意獲得新的應(yīng)用,但他們也希望使用更小巧時(shí)髦的移動(dòng)設(shè)備,這些需求進(jìn)一步加快了手機(jī)等產(chǎn)品向更高層硅片集成和更小尺寸亞微米工藝發(fā)展的趨勢(shì)。
諸如低功率模式、時(shí)鐘門(mén)控以及動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)等傳統(tǒng)的電源管理技術(shù)在無(wú)線(xiàn)手機(jī)、PDA、筆記本電腦和其它對(duì)功率敏感的設(shè)備中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)然,這些技術(shù)還將繼續(xù)發(fā)揮作用,但目前業(yè)界的趨勢(shì)是能夠同時(shí)滿(mǎn)足功率與性能要求的全面解決方案。
對(duì)于高性能、對(duì)功率敏感的應(yīng)用而言,降低功耗只是一部分挑戰(zhàn)。目前及以后的要求是性能更高且每功能功耗更少。手機(jī)高端應(yīng)用的工作頻率比語(yǔ)音通信高得多。例如,無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單的語(yǔ)音工作頻率一般在20MHz以下,而視頻應(yīng)用可能需要200MHz以上的頻率。僅僅是管理幾十萬(wàn)像素的高分辨率視頻顯示器就需要大量的功耗處理周期。因此只有涵蓋各個(gè)功能模塊及多處理內(nèi)核的創(chuàng)新降耗技術(shù)才能使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng),以更低功耗獲得更高性能。
除了動(dòng)態(tài)功率或晶體管開(kāi)關(guān)功耗之外,無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設(shè)備還面臨由于元件尺寸縮小而引發(fā)的新的靜態(tài)漏電功耗問(wèn)題。需要體積更小、集成度更高的元件以滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)小體積多功能設(shè)備的要求。不過(guò)隨著工藝尺寸的縮小,例如從90nm到65nm,漏電功耗呈指數(shù)式上升,從而使器件的總功耗顯著提高。此外,隨著工藝尺寸的縮小,需要增加額外的片上存儲(chǔ)器以支持新的應(yīng)用,而存儲(chǔ)器恰恰就是靜態(tài)漏電功耗的主要來(lái)源。功耗會(huì)轉(zhuǎn)換成熱量,而在移動(dòng)無(wú)線(xiàn)設(shè)備中,熱量會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生相當(dāng)大的負(fù)面影響,使系統(tǒng)本身的可靠性和穩(wěn)定性降低。
SmartReflex技術(shù)的基本組成
傳統(tǒng)的電源管理策略注重降低動(dòng)態(tài)功耗,而TI公司的SmartReflex解決方案對(duì)電源與性能的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了整體分析,能夠同時(shí)解決動(dòng)態(tài)和靜態(tài)漏電功耗問(wèn)題。SmartReflex電源與性能管理技術(shù)可以應(yīng)對(duì)現(xiàn)今移動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),還能為未來(lái)的發(fā)展提供合適的解決方案。
圖2:基于SmartReflex技術(shù)的OMAP2420處理器。
SmartReflex技術(shù)由三部分組成:第一是硅知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP),第二是能夠應(yīng)用在SoC設(shè)計(jì)級(jí)的技術(shù),第三是管理硬件使能SmartReflex技術(shù)的系統(tǒng)軟件,這些技術(shù)可與其它基于操作系統(tǒng)或第三方軟件子系統(tǒng)的電源管理技術(shù)無(wú)縫連接。目前SmartReflex技術(shù)被TI公司用于在定制和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品器件中實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的電源與性能管理。
TI將其在硅片級(jí)電源與性能管理方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)移植到SmartReflex技術(shù)中。靜態(tài)漏電功耗就是SmartReflex技術(shù)解決的主要挑戰(zhàn)之一。靜態(tài)漏電功耗在較小工藝節(jié)點(diǎn)時(shí)占據(jù)器件總功耗的很大一部分。有幾種SmartReflex技術(shù)能被用于有效限制器件的漏電流。例如,采用SmartReflex技術(shù)后,OMAP2420處理器的靜態(tài)漏電功耗被降低了40%。目前,TI的許多90nm無(wú)線(xiàn)器件已經(jīng)通過(guò)采用SmartReflex技術(shù)降低了漏電功耗。今后,所有90nm、65nm和更小工藝節(jié)點(diǎn)的新器件都將采用這些突破性的技術(shù)。
另一種硅片級(jí)SmartReflex技術(shù)是電源管理單元庫(kù),它能通過(guò)功率切換、隔離和電壓變換等方法劃分器件的電源域。采用多電源域構(gòu)造器件,能使那些沒(méi)被激活的功能模塊降低功耗,或進(jìn)入睡眠模式,這樣既降低功耗又確保最佳性能。為了簡(jiǎn)化芯片級(jí)集成,SmartReflex技術(shù)具有易用的、免插入設(shè)計(jì)流程。
SmartReflex的創(chuàng)新技術(shù)
除了采用DVFS和時(shí)鐘門(mén)控等硬件技術(shù)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)功耗要求之外,SmartReflex技術(shù)還包含架構(gòu)級(jí)SoC設(shè)計(jì)的創(chuàng)新技術(shù),因此能解決靜態(tài)漏電功耗問(wèn)題。例如,自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)、動(dòng)態(tài)功率切換(DPS)和休眠漏電管理(SLM)等就是SmartReflex產(chǎn)品中的創(chuàng)新技術(shù)。
在系統(tǒng)軟件級(jí),SmartReflex技術(shù)包括智能軟件,能夠管理許多低層的硬件使能技術(shù)。例如,SmartReflex技術(shù)含有主處理器電源管理軟件,可提供系統(tǒng)級(jí)配置的多種功能,例如工作量監(jiān)控器、工作量預(yù)測(cè)器、資源管理器以及器件驅(qū)動(dòng)器電源管理軟件。另外,SmartReflex框架還提供DSP/BIOS電源管理軟件。
SmartReflex技術(shù)可以跨越許多傳統(tǒng)的分界線(xiàn),例如處理內(nèi)核之間的差異。第一和第二代電源管理解決方案基本上是針對(duì)專(zhuān)門(mén)供應(yīng)商,而且受限于他們的產(chǎn)品范圍。這些解決方案只適用于某些功能塊或特殊內(nèi)核,因此只能解決器件功率預(yù)算的一小部分。而SmartReflex技術(shù)支持多內(nèi)核、硬件加速器、功能塊、外圍電路和其它系統(tǒng)組件。此外,SmartReflex系統(tǒng)級(jí)技術(shù)對(duì)基于OS的和第三方電源管理軟件是開(kāi)放的,因此可以開(kāi)發(fā)出均衡考慮電源與性能問(wèn)題的協(xié)作環(huán)境。
具有9千萬(wàn)個(gè)晶體管的90nm OMAP2420處理器是應(yīng)用多內(nèi)核SmartReflex技術(shù)實(shí)現(xiàn)的力證。通過(guò)實(shí)現(xiàn)SmartReflex電源管理庫(kù)中的多個(gè)硅IP單元,OMAP2420處理器可細(xì)分為5個(gè)電源域。將處理器內(nèi)核、加速器、外圍電路和其它邏輯劃分出各自的電源域是SmartReflex技術(shù)在架構(gòu)級(jí)和系統(tǒng)軟件級(jí)采取智能和自適應(yīng)方法的根本。根據(jù)處理類(lèi)型和處理負(fù)載,SmartReflex技術(shù)可以控制任何或所有系統(tǒng)區(qū)域,從而達(dá)到降低功耗的目的。
作者:Brian Carlson
無(wú)線(xiàn)終端事業(yè)部蜂窩系統(tǒng)技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理
德州儀器公司
