电压调节技术用于SoC低功耗设计

0 引言

SoC即“System on chip”,通俗讲为“芯片上的系统”,主要用于便携式和民用的消费的电子产品。随着便携式和民用电子产品的高速发展,广大用户对便携设备新功能的要求永无止境。于是要求设计人员在设计小型便携式消费类电子产品时,不仅要缩小产品尺寸、降低成本,更重要的是降低功耗,用户都希望便携式产品的电池充电后的工作时间越长越好。于是,系统设计与SoC 设计人员面临着在增加功能的同时保证电池的使用时间的挑战。要达到这一点,就需要使用新的节能技术,比如电压调节(voltage scaling) 。在SoC 设计中降低功耗可以用两种方式来实现,一种是开环电压调节(动态) ,另一种是闭环(自适应) 电压控制的方法。

1 频率调节与电压调节

计算系统在实际期限中执行任务。当系统为高负载时,系统要在最大频率下工作。而当系统负载低时,则允许系统在较低频率下工作。这种频率调节是一种降低运行功耗的有效方式。电压调节与频率调节相互结合,能够极大地降低功耗,提高能量效率。动态电压调节(DVS) 是在一个开环电压控制系统中用多组频率、电压对来实现。自适应电压调节(AVS) 用一个闭环电压控制系统来实现,它无需配对的频率、电压,能提供更优的节能效果。

2 开环动态电压调节(DVS) 和闭环自适应电压调节(AVS)

CMOS 数字系统的功率是开关功率(动态) 与泄漏功率的总和,即:P=Pswitch+Pleakage≈CxV2AF + Ileakage 。其中C 表示数字系统中的开关电容,V 为供电电压, F 则为开关时钟频率,A是开关活动因数,而Ileakage则为漏电流。当允许工作在低于最高频率时,频率随电压的下降而降低。在DVS 系统中,每种工作频率的供电电压值都是所有芯片工艺和温度变化所需的最差值。当系统在降低的频率工作时,功耗也显着下降,因为功率方程中的F和V’两项均减小。当系统工作在最高频率时,DVS 方法对恒定电压没有节能效果。闭环自适应电压调节(AVS) 与DVS 系统相比却有不同。

图2 是采用PowerWiseTM 先进电源控制器(APC) 以及集成硬件性能监控器(HPM) 与电源管理单元(PMU) 的一个闭环AVS 系统。APC 通过开放标准PowerWise 接口(PWI) 连接到PMU 上。这些组成部分自适应地为多种时钟频率、温度和芯片工艺提供最低供电电压。闭环AVS 系统使用嵌入在电压调节域中的HPM来监控芯片的时序性能,并提供可变电压系统控制环路的闭环机制。由于HPM 与其监控的计算系统位于相同的芯片上,因而可以提供芯片工艺补偿以及温度补偿。

APC 处理来自HPM的信息,决定是否需要调节电压。电压调节指令通过PWI 送给PMU。采用低速时序的芯片工艺,ASIC 设计可以在最高温度下工作。典型的工作温度和典型的芯片性能会有电压余量(headroom) 。AVS 系统会检测这一余量,并调整电压,使得在所有运行频率上都有最低的运行功率。

3 闭环自适应电压调节(AVS) 的优点

通过在标准芯片上的测试,得出用上面两种方法来解决功耗问题的结果。如图3 所示。包括固定电压开环DVS 和闭环AVS 供电系统。

采用AVS、2级DVS和固定供电电压的0.13微米设计

模拟图使用了一个±10%的调节方法,为96MHz、低速模拟模型以及120℃连结温度等设计工作条件提供固定而且是DVS 的电压。这些条件代表了一个ASIC 设计中常见的时序分析条件。DVS的数据表示了一种两级式供电系统。在70MHz 以上频率时,采用1. 2V 供电,而在低于70MHz 频率时,则提供0.9V 电压。AVS 的供电电压等于模拟设计中发生一个时序错误时的电压与考虑HPM 准确性的适当电压余度之和。

当系统在可调节频率下工作时,DVS 和AVS 共同达成降低固定电压系统功耗的目的。AVS 在所有工作频率时都能提供降低功耗的附加功能。达到设计目标频率的节能是采用低速芯片时最大频率与最大度条件下闭环时序的设计需要。

4 　结论

便携式产品的芯片的功耗和能效都是系统设计中首要考虑的因素。在SoC 设计中使用DVS 或AVS可以使固定电压系统获得显着的节能效果。当频率可调节系统的工作频率低于最大设计频率时,DVS可提供节电节能功能。AVS 则在固定频率系统和可变/ 可调节频率系统中发挥节电节能作用。自适应电压调节技术(AVS) 可以在SoC 的所有设计工作频率下,达到显着的降低功耗目的。

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