電壓調節技術用于SoC低功耗設計

　　引言

　　SoC即“System on chip”,通俗講為“芯片上的系統”,主要用于便攜式和民用的消費的電子產品。隨著便攜式和民用電子產品的高速發展,廣大用戶對便攜設備新功能的要求永無止境。于是要求設計人員在設計小型便攜式消費類電子產品時,不僅要縮小產品尺寸、降低成本,更重要的是降低功耗,用戶都希望便攜式產品的電池充電后的工作時間越長越好。于是,系統設計與SoC 設計人員面臨著在增加功能的同時保證電池的使用時間的挑戰。要達到這一點,就需要使用新的節能技術,比如電壓調節(voltage scaling) 。在SoC 設計中降低功耗可以用兩種方式來實現,一種是開環電壓調節(動態) ,另一種是閉環(自適應) 電壓控制的方法。

　　1 　頻率調節與電壓調節

　　計算系統在實際期限中執行任務。當系統為高負載時,系統要在最大頻率下工作。而當系統負載低時,則允許系統在較低頻率下工作。這種頻率調節是一種降低運行功耗的有效方式。電壓調節與頻率調節相互結合,能夠極大地降低功耗,提高能量效率。動態電壓調節(DVS) 是在一個開環電壓控制系統中用多組頻率、電壓對來實現。自適應電壓調節(AVS)

　　用一個閉環電壓控制系統來實現,它無需配對的頻率、電壓,能提供更優的節能效果。

　　2 　開環動態電壓調節(DVS) 和閉環自適應電壓調節(AVS)

　　圖1 是一個DVS 系統。CMOS 數字系統的功率是開關功率(動態) 與泄漏功率的總和,即:P=Pswitch+Pleakage≈CxV2AF + Ileakage 。其中C 表示數字系統中的開關電容,V 為供電電壓, F 則為開關時鐘頻率,A是開關活動因數,而Ileakage則為漏電流。當允許工作在低于最高頻率時,頻率隨電壓的下降而降低。在DVS 系統中,每種工作頻率的供電電壓值都是所有芯片工藝和溫度變化所需的最差值。當系統在降低的頻率工作時,功耗也顯著下降,因為功率方程中的F和V’兩項均減小。當系統工作在最高頻率時,DVS 方法對恒定電壓沒有節能效果。閉環自適應電壓調節(AVS) 與DVS 系統相比卻有不同。

　　圖2 是采用PowerWiseTM 先進電源控制器(APC) 以及集成硬件性能監控器(HPM) 與電源管理單元(PMU) 的一個閉環AVS 系統。APC 通過開放標準PowerWise 接口(PWI) 連接到PMU 上。這些組成部分自適應地為多種時鐘頻率、溫度和芯片工藝提供最低供電電壓。閉環AVS 系統使用嵌入在電壓調節域中的HPM來監控芯片的時序性能,并提供可變電壓系統控制環路的閉環機制。由于HPM 與其監控的計算系統位于相同的芯片上,因而可以提供芯片工藝補償以及溫度補償。

　　APC 處理來自HPM的信息,決定是否需要調節電壓。電壓調節指令通過PWI 送給PMU。采用低速時序的芯片工藝,ASIC 設計可以在最高溫度下工作。典型的工作溫度和典型的芯片性能會有電壓余量(headroom) 。AVS 系統會檢測這一余量,并調整電壓,使得在所有運行頻率上都有最低的運行功率。

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　　3 　閉環自適應電壓調節(AVS) 的優點

　　通過在標準芯片上的測試,得出用上面兩種方法來解決功耗問題的結果。如圖3 所示。包括固定電壓開環DVS 和閉環AVS 供電系統。

　　采用AVS、2級DVS和固定供電電壓的0.13微米設計模擬圖使用了一個