需要多学科努力才能将媒体播放机SoC功耗降到最低

当一个公司的生存与发展取决于手持设备时,你必须关注功耗问题。这就是PortalPlayer公司当前面临的境况,该公司主要设计包括iPod在内的便携式媒体播放器平台。

PortalPlayer公司首席技术执行官 Richard Miller指出,如果说从过去几代媒体播放机SoC设计中得到了一个教训的话,那么它就是:功耗的降低需要多学科的共同努力。“便携式媒体播放机面临的问题是,如何在不损害峰值性能的前提下把持续功率泄漏的绝对数值降到最低,”Miller说,“没有什么尚方宝剑能够解决这个问题,这涉及到整个系统。”

由于在产品设计早期认识到了这一点,PortalPlayer公司组建了一个功率委员会从电源管理的角度来监察新的PP5022参考设计平台开发的各个层面。PortalPlayer 打算把5022作为基于硬盘的影音多媒体播放机的SIP封装SoC的核心。

“该委员会由系统设计师、半导体设计师、固件工程师和算法开发工程师组成,”Miller介绍道。这些学科在设计过程中各自扮演重要角色,而且在许多情况下小组成员做出的决策是相互交叉的。决策交叉在算法层表现得尤为突出。算法不仅决定以怎样的次序对数据进行怎样的运算,更为关键的是,它也决定了SoC需要多少次引用外部和内部存储器中的信息。这样的存储器引用,实际上也是所有的I/O信息交换,已经成为功率预算中一项庞大的支出。

PortalPlayer公司在SystemC层为自有算法和编解码器供应商的算法都建立了模型,然后使用自有的能效评估方法对这些模型进行检查。这导致了一些算法的重组以最小化I/O流量。“我们的固件工程师面临的首要任务是管理外部DRAM流量,”Miller介绍道。此外,要实现功耗降低的目标还需要寻求设计伙伴(他们提供PortalPlayer参考设计中的其它芯片,如Wolfson微电子公司)的合作以将芯片之间数据流动造成的功耗降至最小。

中央处理器的选择很快变成一个关键问题,Miller表示。该行业大多数公司的产品追随着ARM公司ARM7到ARM9的发展路线,并在性能上取得大幅度提升。但是利用200MHz内核代替设计中原有的100MHz处理器、总线和内存系统,却导致了在130纳米工艺下泄漏电流的猛增。PortalPlayer公司已经决定在5022中加入动态电压和频率调整功能。另外,这个决策也为提出更具开创性的处理器选择方案开拓了思路。

“我们注意到如果可以在两个处理器间有效地分割算法,那么每个处理器都可以在不超过ARM9所需频率一半的条件下运行,”Miller解释道,“这意味着我们可以降低两个内核的运行电压。因而,PortalPlayer决定围绕双ARM7内核构建芯片,而不是采用更大更快的单内核。”

在一些情况下,适应双内核架构就同在两个处理器上交替处理MP3帧(在模块水平数据几乎完全并行)一样简单；而在另一些情况下,这个工作就没那么容易了。“我们最终采用了一种确实可以达到动态负载平衡的异步解耦架构。”Miller介绍。

这种架构反过来对片上SRAM中关键的128kB提出了要求。由于包含两个CPU及一系列具有直接存储器访问(DMA)能力的外围控制器和一个外部DMA引擎,该架构把各个部分汇聚在一个通过交叉开关(crossbar switch)访问的高效4端口SRAM上。“针对双CPU架构进行算法分解的另一个优点是可以让这两个CPU以100MHz低的频率可以实现片上存储器零等待,”Miller表示,“它提供了200MHz ARM9的起码性能,而ARM9却无法实现存储器的零等待。”

降低功耗的努力甚至已经深入到更底层的电路设计和库一级。“我们发现带有动态电压调整的低功耗设计已经成为该领域的前沿技术,”Miller表示,“首先,功耗评估工具无法提供准确的评估结果。而且,通过对硅技术的研究,我们意识到工艺方面也存在问题。我们注意到单晶圆上的功耗泄漏变化高达百分之几十,而且在各块之间的变化幅度高达两到三倍。我们必须学会在逻辑设计和库选择中处理这个规模的泄漏变化。在库选择方面的基本策略是‘尽最大努力控制泄漏’,因为它无时不在。然后你可以找到对性能进行动态管理的方法进而满足峰值要求。”

作者:张国勇