多媒體處理器通常是便攜式電子設(shè)備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見方法是降低時(shí)鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會(huì)使系統(tǒng)性能降低。另一方面，芯片設(shè)計(jì)人員還提出了各種片上方法來降低功耗，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文介紹了這些方法的概念，以及我們?nèi)绾芜\(yùn)用它們實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。
有源電源管理
片上電源管理技術(shù)主要適用于兩類應(yīng)用：管理有源系統(tǒng)功耗和管理待機(jī)功耗。
有源電源管理分為三個(gè)部分：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);自適應(yīng)電壓縮放 (AVS);以及動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS)。另一方面，靜態(tài)功耗管理包括在需要進(jìn)行更多處理以前將空閑系統(tǒng)維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其通常利用從待機(jī)到關(guān)機(jī)的數(shù)種低功耗模式。
讓我們來看一下有源模式。利用 DVFS，根據(jù)應(yīng)用所要求的不同性能，時(shí)鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進(jìn) RISC 機(jī)器 (ARM) 和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的應(yīng)用處理器，即使 ARM 組件可以運(yùn)行在高達(dá) 600 MHz 的時(shí)鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計(jì)算能力。一般而言，軟件會(huì)選擇數(shù)個(gè)預(yù)定義處理器工作性能點(diǎn) (OPP)，其包括確保處理器能夠運(yùn)行在滿足系統(tǒng)處理要求的最低頻率下的電壓。在對(duì)滿足不同應(yīng)用要求的功耗進(jìn)行優(yōu)化的過程中，為了獲得更大的靈活性，人們?yōu)樘幚砥髦械幕ミB和外設(shè)預(yù)定義了一個(gè)單獨(dú)的器件內(nèi)核 OPP 集。
與給定的 OPP 相對(duì)應(yīng)，軟件向外部穩(wěn)壓器發(fā)出控制信號(hào)來設(shè)置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個(gè)電壓源 VDD1(為 DSP 和 ARM 處理器供電)和 VDD2(為子系統(tǒng)和外設(shè)之間的互連供電)，同時(shí)這些電源軌提供芯片所需的大部分電量(一般約為全部所需電量的 75% 到 80%)。通過將 DSP 處理器轉(zhuǎn)入一個(gè) ARM 可以高達(dá) 125MHz 時(shí)鐘頻率運(yùn)行的低工作性能點(diǎn)完成對(duì) MP3 解碼的同時(shí)，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務(wù)。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把 VDD1 降至 0.95V，而非保證 600 MHz 運(yùn)行的 1.35V 最高電壓。
第二種有源電源管理技術(shù)即自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現(xiàn)的各種變化。這種技術(shù)是相對(duì)于 DVFS 的，DVFS 中所有處理器均具有相同的預(yù)編程 OPP。正如人們認(rèn)為的那樣，在大多數(shù)現(xiàn)有制造工藝中規(guī)定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件(即“熱”器件)可以在較低的電壓下達(dá)到規(guī)定頻率。此時(shí)，AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測(cè)其自有性能水平，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)各電壓源。專用片上 AVS 硬件可實(shí)施一個(gè)反饋環(huán)路，其并不要求處理器介入，從而動(dòng)態(tài)地優(yōu)化電壓電平來應(yīng)對(duì)處理結(jié)果、溫度和硅芯片性能降低中的變化(請(qǐng)參見圖 1)。
