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引言:盡管芯片級集成、亞微米制造工藝都有助于減小手機的尺寸并實現(xiàn)更多的功能,但是更小的亞微米工藝會加劇靜態(tài)漏電流問題。于是便攜式移動設(shè)備制造商面臨既要降低功耗又要增強系統(tǒng)性能的艱巨挑戰(zhàn)。本文討論的SmartReflex技術(shù)可在SoC芯片級實現(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。
今天的無線移動設(shè)備功率預(yù)算面臨著空前的挑戰(zhàn),只有功能強大的完整電源管理方法才能解決這些挑戰(zhàn)。這種方法開始于工藝技術(shù),并逐步向硬件、系統(tǒng)級芯片(SoC)架構(gòu)和軟件方面發(fā)展。
無線運營商強烈呼吁在手機中增加更多的功能,以使他們能開發(fā)出增加每用戶平均收入(ARPU)的新業(yè)務(wù)。而用戶也希望獲得新的功能。視頻、移動數(shù)字電視、高保真音頻、三維視頻游戲、數(shù)字攝影、安全應(yīng)用和其它功能將很快會打破以往的業(yè)界標準:一塊充電電池最少維持4小時通話時間和超過120小時的待機時間。電池容量永遠跟不上手機層出不窮、激動人心的新功能。雖然用戶愿意獲得新的應(yīng)用,但他們也希望使用更小巧時髦的移動設(shè)備,這些需求進一步加快了手機等產(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。
諸如低功率模式、時鐘門控以及動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)等傳統(tǒng)的電源管理技術(shù)在無線手機、PDA、筆記本電腦和其它對功率敏感的設(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)界的趨勢是能夠同時滿足功率與性能要求的全面解決方案。
對于高性能、對功率敏感的應(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。手機高端應(yīng)用的工作頻率比語音通信高得多。例如,無線移動設(shè)備簡單的語音工作頻率一般在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)實現(xiàn)動態(tài)自適應(yīng),以更低功耗獲得更高性能。
除了動態(tài)功率或晶體管開關(guān)功耗之外,無線移動設(shè)備還面臨由于元件尺寸縮小而引發(fā)的新的靜態(tài)漏電功耗問題。需要體積更小、集成度更高的元件以滿足消費者對小體積多功能設(shè)備的要求。不過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器以支持新的應(yīng)用,而存儲器恰恰就是靜態(tài)漏電功耗的主要來源。功耗會轉(zhuǎn)換成熱量,而在移動無線設(shè)備中,熱量會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生相當(dāng)大的負面影響,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態(tài)功耗,而TI公司的SmartReflex解決方案對電源與性能的相關(guān)問題進行了整體分析,能夠同時解決動態(tài)和靜態(tài)漏電功耗問題。SmartReflex電源與性能管理技術(shù)可以應(yīng)對現(xiàn)今移動設(shè)備的設(shè)計挑戰(zhàn),還能為未來的發(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:第一是硅知識產(chǎn)權(quán)(IP),第二是能夠應(yīng)用在SoC設(shè)計級的技術(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)無縫連接。目前SmartReflex技術(shù)被TI公司用于在定制和標準產(chǎn)品器件中實現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的電源與性能管理。
TI將其在硅片級電源與性能管理方面的技術(shù)和經(jīng)驗移植到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)點時占據(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無線器件已經(jīng)通過采用SmartReflex技術(shù)降低了漏電功耗。今后,所有90nm、65nm和更小工藝節(jié)點的新器件都將采用這些突破性的技術(shù)。
另一種硅片級SmartReflex技術(shù)是電源管理單元庫,它能通過功率切換、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,能使那些沒被激活的功能模塊降低功耗,或進入睡眠模式,這樣既降低功耗又確保最佳性能。為了簡化芯片級集成,SmartReflex技術(shù)具有易用的、免插入設(shè)計流程。
SmartReflex的創(chuàng)新技術(shù)
除了采用DVFS和時鐘門控等硬件技術(shù)滿足動態(tài)功耗要求之外,SmartReflex技術(shù)還包含架構(gòu)級SoC設(shè)計的創(chuàng)新技術(shù),因此能解決靜態(tài)漏電功耗問題。例如,自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)、動態(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,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)級配置的多種功能,例如工作量監(jiān)控器、工作量預(yù)測器、資源管理器以及器件驅(qū)動器電源管理軟件。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,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專門供應(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)級技術(shù)對基于OS的和第三方電源管理軟件是開放的,因此可以開發(fā)出均衡考慮電源與性能問題的協(xié)作環(huán)境。
具有9千萬個晶體管的90nm OMAP2420處理器是應(yīng)用多內(nèi)核SmartReflex技術(shù)實現(xiàn)的力證。通過實現(xiàn)SmartReflex電源管理庫中的多個硅IP單元,OMAP2420處理器可細分為5個電源域。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)級和系統(tǒng)軟件級采取智能和自適應(yīng)方法的根本。根據(jù)處理類型和處理負載,SmartReflex技術(shù)可以控制任何或所有系統(tǒng)區(qū)域,從而達到降低功耗的目的。
作者:Brian Carlson
無線終端事業(yè)部蜂窩系統(tǒng)技術(shù)市場經(jīng)理
德州儀器公司
