ARM、NSC(美国国家半导体)和Synopsys最近透露,它们正在联合推进一个旨在大幅降低蜂窝电话和其它便携设备功耗的项目。这三家公司此前一直在努力将大学实验室中开发成功的动态电压调节技术应用到标准系统级芯片(SoC)的设计实践中。
ARM和NSC宣称,它们已经制造出一款测试芯片,这一基于ARM的SoC集成了一个电压/频率控制器和一些性能监视器,测试结果显示功耗有显著的降低。尽管ARM和国半的战略业务伙伴关系在去年十二月就已经透露了,但直到最近才公开了Synopsys的加盟。
动态电压调节技术是一种通过将不同电路模块的工作电压调低到恰好满足系统最低要求来实时降低系统中不同电路模块功耗的方法。该技术基于这样一种观察结果:即电路模块中的最大时钟频率和电压是紧密相关的。如果一个电路能够估算出它必须做多少工作才能完成当前的任务,那么从理论上讲就可以将时钟频率调低到刚好能适时完成该任务的水平。另外,降低时钟频率还意味着可同时降低供电电压。所以,电路就从以下几个方面降低了功耗:更低的时钟频率、更低的电压、更低的漏电流(因所有的漏电流都与电压成正比关系)。
不过,这样一个相对来说显而易见的策略实现起来却需要对几乎所有的设计层面进行修改:单元设计、模块设计、模块互连、芯片规划、系统架构、以及操作系统和应用设计。而这正是这三家公司希望能克服解决的令人畏缩的问题。
该技术的最基本基础是,能够在一个很宽范围内改变某个模块的供电电压,而不会影响模块的正常工作。例如,根据要求的时钟速率,工作电压可在3.8到1.2伏之间变化。英国ARM公司的首席研究员Krisztian Flautner指出:这要求单元设计和模块应能在整个电压范围内正常工作,而不是仅能在某个固定电压下正常工作。
Flautner表示,ARM一直在关注一些具体的技术,包括直接把单元设计得更坚固以使其能在全电压范围下工作的简单技术。其它温和一些的方法包括采用供电电压和体偏置(body bias)结合的方法最大限度地降低一个目标时钟频率的漏电流。该公司还一直在研究容错模块设计技术,这些技术能够允许系统先简单地将电压降至模块不能正常工作的程度,然后再稍微向上调高电压,以使模块通过一个故障/恢复过程。这些技术要求对逻辑设计进行相当大的改变,并应对设计进行仔细的分析,以确保它能满足性能要求。
Flautner谈到的另一个问题在SoC整合层次。因为一个SoC可能包含许多模块,每一模块都会基于各自的工作负荷而调整供电电压,所以模块之间的接口必须是异步的且要能容忍最极端的电压不匹配。因此,Flautner将这些架构看作是当今学术界颇为时尚的本地同步、整体异步架构研究的一个扩展。
这正是Synopsys公司得以显山露水的地方。这家电子设计自动化公司同两家盟友一道,正在开发一种使电压-频率隔离孤岛、电平转换器和控制电路更易实现的设计流程。ARM和NSC宣称现在就可实现这一目标,但这只有通过为现有工具创建充实的工作区(workarounds)才能完成。他们均希望建立一个相对透明的流程。
另一整类问题牵扯到为一个给定模块的给定频率找到尽可能最低的电压,并引导电源提供该电压。而这正是NSC的便携电源方案组的特长,NSC先进技术组总监Ravi Ambatipudi表示。ARM和NSC一致认为,闭环控制系统技术也许最适合处理该问题。
Ambatipudi解释了NSC实时地为一个模块设定一个正确的最小电压的方法。“我们开发出被我们称之为性能监视器的可综合结构,”他说:“我们将其放在靠近关键路径或模块中散热最厉害的地方。它们用作关键电路的性能行为模型。通过用性能监视器来测量延时,我们可对电路能正常运行的频率进行实时测量。”
在一个数字反馈控制环路中使用该信息,控制器能根据需要对供电电压发布升高或降低的调整命令,以期在希望的时钟频率下,调到最小的工作电压值。这一基于监视器的反馈方法能自动地根据温度变化甚至裸片内工艺参数的改变进行修正。
ARM的Flautner表示,软件也是一个很重要的组成部分。在实际调降电压之前,系统必须知道最小的时钟频率是多少。有好几种方法可以做到这一点。
最显而易见的方法是应用程序设计师事先了解一个给定任务的延时要求和实时底线,并将该信息提供给硬件。
ARM的新策略
不过,通常应用程序设计师并不享有该信息,或至少对应用程序设计师来说很难分析出该信息。因此ARM采用了在操作系统代码中嵌入性能监视器的方法来了解每个应用运行对系统的任务要求。在假定每一任务都需要CPU全速运行之后,监视器就可给出实际性能估计。随后这一信息将提供给硬件。
“我们发现该方法在多种应用中很管用,”Flautner表示,“通常,它产生的结果与我们手工调整的一样好。”Flautner指出,总体上,这些电压/频率技术是为用户接口类任务而开发的(如蜂窝电话音视频)。在这些任务中,即使有一个底线要求没能达到,也不会对任务带来致命威胁。
除了验证概念之外,这三家公司希望拿出一个标准可综合控制器和监视器知识产权集、一个控制器与电源沟通的标准接口、以及一个含有这些新思想的工具流程。
作者:葛立伟
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