量身訂制的DSP元件設(shè)計(jì)方案

許多嵌入式處理器都宣稱(chēng)它們的功耗最低。但是事實(shí)上沒(méi)有一顆元件能在所有的應(yīng)用中保持最低功耗，因?yàn)榈凸牡亩x與應(yīng)用環(huán)境習(xí)習(xí)相關(guān)，適合某種應(yīng)用的晶片設(shè)計(jì)很可能會(huì)給另一種應(yīng)用帶來(lái)難題?？蓴y式應(yīng)用多半是根據(jù)電池壽命來(lái)定義低功耗，這類(lèi)應(yīng)用的功能相當(dāng)廣泛，操作模式也千變?nèi)f化。電信系統(tǒng)元件若要滿(mǎn)足應(yīng)用電源需求，就必須在功率預(yù)算范圍內(nèi)處理所要求的通道數(shù)目，同時(shí)透過(guò)封裝和電路板將功耗散逸，以確保元件保持在額定溫度范圍內(nèi)；另外，這些基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用也很重視最大負(fù)載條件下的功耗。因此，為了達(dá)到功耗要求，DSP供應(yīng)商會(huì)針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用選擇最合適的元件制程、電路設(shè)計(jì)、電壓和頻率操作點(diǎn)以及整體架構(gòu)。

省電技術(shù)
　　
DSP供應(yīng)商有許多技術(shù)可以用來(lái)降低功耗，并且達(dá)成效能目標(biāo)，包括：
　　●選擇適當(dāng)制程；
　　●電晶體設(shè)計(jì)技術(shù)；
　　●選擇正確的操作頻率和電壓；
　　●選擇正確的架構(gòu)，包括整合度、記憶體架構(gòu)和運(yùn)算處理單元；
　　●採(cǎi)用散熱效率很高的封裝，確保元件保持在特定操作溫度范圍內(nèi)。

功耗來(lái)源
　　
無(wú)論應(yīng)用為何，元件功耗都包含下面幾種來(lái)源：
　
漏電功耗（leakage power）
　
元件的漏電功耗為固定值，不受處理器動(dòng)作或操作頻率影響，但會(huì)隨著制程、操作電壓和溫度而改變。低精密度（low geometry）制程的漏電功耗多半會(huì)跟著電壓和溫度而呈指數(shù)增加。

時(shí)脈功耗（clocking power）
　　
元件的時(shí)脈功耗與時(shí)脈頻率成正比。高整合度元件的晶片面積多半用于記憶體或暫存器等同步組件，如果時(shí)脈架構(gòu)設(shè)計(jì)不良，那么無(wú)論元件實(shí)際工作量多寡，其功耗都會(huì)保持不變。

操作功耗（active power）
　　
與元件當(dāng)時(shí)所執(zhí)行的實(shí)際系統(tǒng)功能有關(guān)。
　　
除了上述來(lái)源之外，元件功耗還會(huì)受到兩大因素影響：

元件電流
　　
元件電流越高，電池電力的消耗速度就越快，有時(shí)還會(huì)超出功率預(yù)算范圍而導(dǎo)致供應(yīng)電壓下降，使元件脫離正常操作區(qū)而造成錯(cuò)誤。

元件/系統(tǒng)溫度升高
　　
元件若無(wú)法有效散熱，其溫度就可能超出額定范圍而造成操作錯(cuò)誤。
　　
下列最佳化技術(shù)會(huì)以不同方式解決前述各種功耗問(wèn)題。

選擇適當(dāng)制程
　　
為了使不同應(yīng)用的效能和功耗達(dá)到最佳化，德州儀器（TI）能提供各種制程類(lèi)型，例如TI的130奈米低漏電制程在1.5V操作時(shí)幾乎沒(méi)有漏電流，對(duì)于DSP多半處于閑置狀態(tài)的可攜式應(yīng)用而言，這種低漏電制程就能幫助它們節(jié)省功耗。另一種高效能制程的漏電流較大，卻能在1.2V下操作，採(cǎi)用該制程的元件可以達(dá)到低漏電制程的兩倍MHz效能。在較重視最大操作功耗（fully-active power）的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用里，這種高效能制程的競(jìng)爭(zhēng)力還勝過(guò)低漏電制程，原因有兩點(diǎn)：首先，低漏電運(yùn)算處理單元的操作頻率只有高效能制程的一半，這表示其數(shù)量必須加倍才能提供同樣效能，但這會(huì)導(dǎo)致元件成本提高。其次，由于功耗與電壓平方成正比，故在其他條件相同的情形下，高效能制程的操作功耗只有低漏電制程的（1.2V/1.5V）2或是64％。由于低操作功耗對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的重要性通常會(huì)超過(guò)低漏電功耗，因此高效能制程就成為這類(lèi)應(yīng)用的最佳選擇。

電晶體設(shè)計(jì)
　　
同樣制程的電晶體也可以有不同的開(kāi)關(guān)臨界電壓（VT），例如低VT電晶體的切換速度較快，高VT電晶體的漏電流則較小，晶片只需在會(huì)影響速度的部份使用低VT電晶體，其它電路則採(cǎi)用高VT電晶體以節(jié)省電力。設(shè)計(jì)人員的元件資料庫(kù)應(yīng)包含高VT和低VT電晶體所構(gòu)成的基本邏輯閘（NAND、NOR和INVERT等），他們有時(shí)還會(huì)使用中間臨界電壓（middle-VT）的電晶體。一般說(shuō)來(lái)，除非為了滿(mǎn)足重要的效能要求，否則應(yīng)盡量使用高VT電晶體組成的邏輯閘。
　　元件操作點(diǎn)：電壓和頻率
　　數(shù)種元件時(shí)脈供應(yīng)方式可以節(jié)省功耗：
　　●多時(shí)脈域（multiple clock domain）；
　　●動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整（dynamic frequency scaling）；
　　●時(shí)脈閘控（clock gating）。
　　除了時(shí)脈，調(diào)整電壓也能降低功耗：
　　●靜態(tài)電壓調(diào)整；
　　●動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整；
　　●多電壓域（multiple voltage domain）。

多時(shí)脈域
　　
時(shí)脈域是元件中使用同一個(gè)時(shí)脈頻率的部份。將晶片電路分成多個(gè)時(shí)脈域可以讓每個(gè)部份以最適當(dāng)?shù)乃俣炔僮?，進(jìn)而節(jié)省電力。例如高效能DSP可能需要以1GHz操作，但連接至立體聲編碼解碼器界面的串列埠卻只需12MHz的速度。雖然多時(shí)脈域設(shè)計(jì)還需要同步電路和橋接電路讓訊號(hào)跨越不同的時(shí)脈域，其能大幅降低整體功耗。

頻率調(diào)整
　　
元件的某些時(shí)脈域在不同時(shí)間可能會(huì)有不同的操作需求，例如處理器若在某段時(shí)間只有10％的運(yùn)算需求，那么將時(shí)脈頻率減為平常的1/10就能大幅降低時(shí)脈功耗。動(dòng)態(tài)時(shí)脈調(diào)整電路的設(shè)計(jì)必須非常小心，以確保同步邏輯電路收到穩(wěn)定而不會(huì)跳動(dòng)的最小負(fù)載週期時(shí)脈。頻率調(diào)整對(duì)于使用電池的應(yīng)用最有幫助。
時(shí)脈閘控
　　
時(shí)脈閘控會(huì)切斷閑置電路的時(shí)脈，其中又以睡眠模式的做法最簡(jiǎn)單，它讓使用者利用軟體關(guān)掉晶片部份電路。其它技術(shù)則自動(dòng)將元件某些部份的時(shí)脈關(guān)掉，直到有需要時(shí)再啟動(dòng)，例如乙太網(wǎng)路的媒體存取控制器（MAC）平?？商幱谒吣Ｊ剑鹊剿鼈蓽y(cè)到網(wǎng)路后才開(kāi)始工作。時(shí)脈閘控也和頻率調(diào)整一樣適合所有使用電池的應(yīng)用。

靜態(tài)電壓調(diào)整
　　
若應(yīng)用的效能需求較低，元件也可在較低電壓下操作。舉例來(lái)說(shuō)，若DSP是在1.2V電壓下以720 MHz速率工作，它也能使用1.1V電壓并以600MHz頻率操作。由于功耗與電壓平方成正比，在1.1V電壓下以600MHz速率操作的功耗只有720MHz功耗的（1.1V/1.2V）2，大約是84％左右。另外，操作功耗也會(huì)因?yàn)闀r(shí)脈頻率降低而減少兩成。

動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整
　　
這種技術(shù)讓電壓隨著頻率而減少以進(jìn)一步節(jié)省功耗。頻率的切換同樣必須非常小心，元件應(yīng)先將時(shí)脈切斷，然后才改變操作電壓。動(dòng)態(tài)電壓

/頻率調(diào)整技術(shù)非常適合可攜式應(yīng)用。

電壓域
　　
多域的觀念同樣適用于電壓，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)效能需求將晶片分成多個(gè)部份，而每個(gè)部份使用不同的電壓。由于不同的電壓域必須以隔離電路分開(kāi)，保護(hù)它們不受其它電壓域的損害，因此這種技術(shù)用于設(shè)計(jì)時(shí)必須相當(dāng)謹(jǐn)慎。它們還必須提供轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)轉(zhuǎn)換跨越不同電壓域的訊號(hào)。多電壓域需要多組電源，然而晶片內(nèi)建穩(wěn)壓器的效率通常都比不上電路板層級(jí)的電源供應(yīng)器，因此這類(lèi)設(shè)計(jì)多半需要由電路板供應(yīng)多組電源，這正是多電壓域技術(shù)的缺點(diǎn)之一：因?yàn)殡娐钒逍枰黾佣鄠€(gè)電源層，使得設(shè)計(jì)復(fù)雜性大幅提升。

電源閘控（power supply gating）
　　
電源閘控又比時(shí)脈閘控技術(shù)更進(jìn)一步，它會(huì)直接切斷晶片閑置電路的電源。由于這種技術(shù)更復(fù)雜，又需要隔離電路，因此通常會(huì)用于比時(shí)脈閘控技術(shù)（以個(gè)別電路為單位）還大的范圍（多半以模組為單位）。這種技術(shù)和多電壓域技術(shù)也有所不同，其隔離電路會(huì)內(nèi)建于晶片，避免增加電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

操作點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍
　　
上述技術(shù)是否有用，端賴(lài)使用者是根據(jù)電池壽命或最大功耗來(lái)評(píng)斷應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)劣。某些技術(shù)幾乎對(duì)所有應(yīng)用都有幫助，例如多時(shí)脈域和多電壓域技術(shù)只需用到時(shí)脈頻率和電壓，所以任何應(yīng)用系統(tǒng)都可以?huà)?cǎi)用這兩種技術(shù)。域的數(shù)目只會(huì)受到這些技術(shù)所帶來(lái)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性限制，多電壓域還可能受到電路板復(fù)雜性的影響。同樣地，多數(shù)元件的電路并非都是在最大負(fù)載條件下操作，因此時(shí)脈閘控技術(shù)（尤其採(cǎi)用自動(dòng)控制方式的技術(shù)）在許多應(yīng)用都能發(fā)揮作用。靜態(tài)電壓調(diào)整對(duì)所有應(yīng)用都有好處，因?yàn)樵粫?huì)在提供所需效能的必要電壓下操作。
　　
應(yīng)用系統(tǒng)若以電池為電源，并提供多種操作模式，那么頻率調(diào)整和動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)就能發(fā)揮最大作用；另一方面，這些方法對(duì)于重視最大功耗的應(yīng)用卻沒(méi)有太大用處。除此之外，電源閘控對(duì)于這些類(lèi)似于基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用可能也沒(méi)有幫助，因?yàn)檫@類(lèi)應(yīng)用的元件很少會(huì)有大片電路處于閑置狀態(tài)。