NB的低功耗电源管理设计挑战

作者：欧敏铨

笔记本电脑应可说是目前众多电子产品中，设计难度属一属二的产品。在要求愈做愈轻薄的条件下，它还必须具备与桌上型计算机相当的功能，有的NB更定位为娱乐用笔电，强调视听表现的能力，其效能等级更是不能等闲视之。

除了与视听相关的处理器、显示器、绘图卡／芯片、声卡等组件外，包括硬盘、无线调制解调器等组件的功能也在不断提升，如何在满足广泛性高阶应用的同时，仍能让NB的使用寿命保持在可接受的程度，甚至还能延长时间，这就要靠电源管理的技术。

对于多数的电子设备来说，电源管理皆占有极重要的地位。对于如NB的可携式设备或嵌入式设备来说，电源管理有助于延长电池的使用时间，并能降低热量的产生；对于桌上型计算机或服务器来说，虽然没有电池寿命的限制，但也需降低用电成本，而重要的是避免产生高热及让人难以忍受的风扇噪音。

低功耗设计原则

要达到低功耗的电源管理设计，必须从个别组件（甚至是晶体管等级）到整个系统的不同层面都做出完善的考虑，例如从系统层次、架构层次、逻辑层次或电路层次等角度来思考最佳化的电源管理作法，让效能与功耗能做达到最理想的平衡状态。这样看起来，电源管理似乎是一项极为复杂的任务。就策略面来说，确实如此；但若就理论面来看，其实道理是蛮单纯的。以NB来说，它是由CPU、硬盘、内存等单元所组成，整体的功耗来自所有子系统的功耗加总。因此，要降低功耗，必须先从底层的芯片用电来考虑。

一个半导体芯片的耗电来自于动态功耗（Dynamic Power）和静态功耗（Static Power）两大面向。其中动态功耗来自于讯号切换、运作中的电力消耗，在此过程中负载电容会充放电和电流切换；静态功耗则是当组件处于待机状态时产生的电流泄露功耗，它和使用的工艺、芯片尺寸和晶体管中的电压有密切关系。

静态功耗主要得靠芯片的工艺与设计技术来克服，例如采用特殊的晶体管类型来降低电路闸功耗。动态功耗则与组件运作的模式有关，其电源消耗的公式如下：

Pdynamic = Capacitance × Voltage2 × Frequency

从这个方程式中我们可以看出，动态功耗来自于负载电容充放电和电流的切换，其中电压与功耗是平方关系，对功耗的直接影响最大，也就是说电压愈高，相对的功耗也会以级数上升；高速的频率同样也是提升功耗的杀手。因此降低电压与频率是节省动态功耗的基本策略，电子产业也已对此提出种种的因应措施。图一即显示出因频率改变带来的线性省能效益。



ACPI电源管理策略

在PC/NB的电源管理技术上，最受重视当是先进组态和电源界面（Advanced Configuration and Power Interface；ACPI）规范。它是一项开放性的产业标准，由HP、Intel、Microsoft、Phoenix和Toshiba共同开发，并定义出硬件辨识、主机板和设备组态及电源管理的通用接口。ACPI最早在1996年12月提出，最新的版本是2006年12月提出的3.0b版规范。

ACPI的核心技术是以操作系统直接进行组态及电源管理（Operating System-based configuration and Power Management；OSPM）。当支持ACPI的操作系统为设备进入初始化后，OSPM会取代既有系统所建置的旧有功能，例如APM BIOS、SMM-base韧体和PNPBIOS等。完成后，OSPM会开始管理主机板上设备的组态事件，以及基于用户的偏好设定、应用功能需求及操作系统的质量保证（QoS）／使用目标等因素来控制系统的电源、效能和散热状态。

ACPI针对计算机的全区系统状态（Global system states, Gx states）、个别设备的电源状态（device power state）、休眠模式（sleeping mode）、处理器的电源状态及设备和处理器的效能状态都做了多层次的定义，让PC或NB能视不同的使用状态选择适当的电源管理模式。

以全区系统状态来说，即分为工作状态（G0 working）、睡眠状态（G1 sleeping）、软关机（G2/S5 soft off）、机械性关机（G3 Mechanical off），不同状态下的软件执行需求、回复时间及耗电性等等条件皆有不同，请参考(表一)。此外，ACPI也对个别设备的电源状态做出定义，包括正常运作（D0），两个低功耗模式（D1、D2）及停止运作（D3）四个阶段，请参考（表二）。



处理器的电源状态与设备的模式相似，也分为C0到C3四个阶段。C1到C3为节能模式；在C0的正常运作状态下，还可以分为效能状态（Px）和节流状态（Throtting）两种功耗管理模式，大多数的x86处理器只支持节流状态，但新的CPU已强调支持效能状态了，因此模式能更细腻地依应用需求来安排处理器（或设备）的效能与耗电性。效能状态的层次是由处理器（或设备）业者自行定义，最多可分为16个效能状态。

ACPI中另一个值得一提的规范，也就是它对休眠模式的定义。ACPI将休眠模式分为从S1到S5的五个等级，随着等级的增加，CPU、系统快取功能、芯片组、系统内存等功能会陆续暂停工作。但S5的软关机（soft off）阶段时，连操作系统都会停止工作，要再回复工作必须重新启动操作系统才行。