傳授壓箱絕技：從SoC設(shè)計(jì)人員那都了解不到的功耗管

當(dāng)今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員受益于芯片系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)人員在芯片級(jí)功耗管理上的巨大投入。但是對(duì)于實(shí)際能耗非常小的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行功耗規(guī)劃。他們必須針對(duì)最終用戶體驗(yàn)到的系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須要理解片內(nèi)功耗管理過(guò)程以及系統(tǒng)其它部分之間的相互作用，或者，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡可能降低功耗會(huì)導(dǎo)致效率降低，甚至是嚴(yán)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)（DAC）的一次小組討論中，TI專家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(shè)計(jì)人員要盡可能降低功耗而忽略了回報(bào)，可能導(dǎo)致加重系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。而對(duì)于節(jié)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)新的前沿領(lǐng)域。Bittlestone承認(rèn)：“在晶體管級(jí)，我們已經(jīng)達(dá)到了飽和。下一最關(guān)鍵的問(wèn)題是在系統(tǒng)級(jí)。”

　　SoC設(shè)計(jì)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(duì)管芯之外的任何東西都是透明的。但是，也有需要系統(tǒng)其它部分主動(dòng)參與的方法，有些對(duì)外部電路還會(huì)產(chǎn)生重要影響。

　　有幾種門級(jí)功耗管理方法，應(yīng)用在IC設(shè)計(jì)流程中，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言是透明的。例如，對(duì)于基于單元設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)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，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(shù)據(jù)變化。這類方法能夠顯著降低功耗，不需要來(lái)自系統(tǒng)其它部分的任何輸入，對(duì)性能也不會(huì)有任何影響。

　　其它方法則需要來(lái)自系統(tǒng)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(diào)整（DVFS）。在DVFS中，軟件估算系統(tǒng)在某一模式下，模塊所需要的最佳性能。然后，軟件指導(dǎo)模塊——通常是CPU或者加速器，以足夠的時(shí)鐘頻率運(yùn)行，滿足系統(tǒng)要求，而電壓則剛好滿足該頻率要求。同一原理更嚴(yán)格的方法是模塊級(jí)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(tǒng)軟件知道某一模式下系統(tǒng)的資源需求，例如 圖1 所示。這些知識(shí)要求兩類很難獲得的信息：實(shí)際最終用戶將在系統(tǒng)中采用的使用模式，每一模式中的系統(tǒng)資源和性能要求。例如，用戶的智能電話要求蜂窩射頻和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(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)糾正嗎？確定模塊在一定時(shí)間內(nèi)需要以多快的速度運(yùn)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(tǒng)資源。