選用合適DSP元件進(jìn)行低功率設計的方法與技巧

許多嵌入式處理器都宣稱(chēng)它們的功耗最低。但是事實(shí)上沒(méi)有一顆元件能在所有的應用中保持最低功耗，因為低功耗的定義與應用環(huán)境習習相關(guān)，適合某種應用的晶片設計很可能會(huì )給另一種應用帶來(lái)難題?？蓴y式應用多半是根據電池壽命來(lái)定義低功耗，這類(lèi)應用的功能相當廣泛，操作模式也千變萬(wàn)化。電信系統元件若要滿(mǎn)足應用電源需求，就必須在功率預算范圍內處理所要求的通道數目，同時(shí)透過(guò)封裝和電路板將功耗散逸，以確保元件保持在額定溫度范圍內;另外，這些基礎設施應用也很重視最大負載條件下的功耗。因此，為了達到功耗要求，DSP供應商會(huì )針對目標應用選擇最合適的元件制程、電路設計、電壓和頻率操作點(diǎn)以及整體架構。

省電技術(shù)

DSP供應商有許多技術(shù)可以用來(lái)降低功耗，并且達成效能目標，包括：

●選擇適當制程;

●電晶體設計技術(shù);

●選擇正確的操作頻率和電壓;

●選擇正確的架構，包括整合度、記憶體架構和運算處理單元;

●裼蒙⑷刃率很高的封裝，確保元件保持在特定操作溫度范圍內。

功耗來(lái)源

無(wú)論應用為何，元件功耗都包含下面幾種來(lái)源：

漏電功耗(leakage power)

元件的漏電功耗為固定值，不受處理器動(dòng)作或操作頻率影響，但會(huì )隨著(zhù)制程、操作電壓和溫度而改變。低精密度(low geometry)制程的漏電功耗多半會(huì )跟著(zhù)電壓和溫度而呈指數增加。

時(shí)脈功耗(clocking power)

元件的時(shí)脈功耗與時(shí)脈頻率成正比。高整合度元件的晶片面積多半用于記憶體或暫存器等同步組件，如果時(shí)脈架構設計不良，那么無(wú)論元件實(shí)際工作量多寡，其功耗都會(huì )保持不變。

操作功耗(active power)

與元件當時(shí)所執行的實(shí)際系統功能有關(guān)。

除了上述來(lái)源之外，元件功耗還會(huì )受到兩大因素影響：

元件電流

元件電流越高，電池電力的消耗速度就越快，有時(shí)還會(huì )超出功率預算范圍而導致供應電壓下降，使元件脫離正常操作區而造成錯誤。

元件/系統溫度升高

元件若無(wú)法有效散熱，其溫度就可能超出額定范圍而造成操作錯誤。

下列最佳化技術(shù)會(huì )以不同方式解決前述各種功耗問(wèn)題。

選擇適當制程

為了使不同應用的效能和功耗達到最佳化，德州儀器(TI)能提供各種制程類(lèi)型，例如TI的130奈米低漏電制程在1.5V操作時(shí)幾乎沒(méi)有漏電流，對于DSP多半處于閑置狀態(tài)的可攜式應用而言，這種低漏電制程就能幫助它們節省功耗。另一種高效能制程的漏電流較大，卻能在1.2V下操作，裼酶彌瞥痰腦件可以達到低漏電制程的兩倍MHz效能。在較重視最大操作功耗(fully-active power)的基礎設施應用里，這種高效能制程的競爭力還勝過(guò)低漏電制程，原因有兩點(diǎn)：首先，低漏電運算處理單元的操作頻率只有高效能制程的一半，這表示其數量必須加倍才能提供同樣效能，但這會(huì )導致元件成本提高。其次，由于功耗與電壓平方成正比，故在其他條件相同的情形下，高效能制程的操作功耗只有低漏電制程的(1.2V/1.5V)2或是64%。由于低操作功耗對于基礎設施應用的重要性通常會(huì )超過(guò)低漏電功耗，因此高效能制程就成為這類(lèi)應用的最佳選擇。

電晶體設計

同樣制程的電晶體也可以有不同的開(kāi)關(guān)臨界電壓(VT)，例如低VT電晶體的切換速度較快，高VT電晶體的漏電流則較小，晶片只需在會(huì )影響速度的部份使用低VT電晶體，其它電路則裼酶VT電晶體以節省電力。設計人員的元件資料庫應包含高VT和低VT電晶體所構成的基本邏輯閘(NAND、NOR和INVERT等)，他們有時(shí)還會(huì )使用中間臨界電壓(middle-VT)的電晶體。一般說(shuō)來(lái)，除非為了滿(mǎn)足重要的效能要求，否則應盡量使用高VT電晶體組成的邏輯閘。

元件操作點(diǎn)：電壓和頻率

數種元件時(shí)脈供應方式可以節省功耗：

●多時(shí)脈域(multiple clock domain);

●動(dòng)態(tài)頻率調整(dynamic frequency scaling);

●時(shí)脈閘控(clock gating)。

除了時(shí)脈，調整電壓也能降低功耗：

●靜態(tài)電壓調整;

●動(dòng)態(tài)電壓/頻率調整;

●多電壓域(multiple voltage domain)。

多時(shí)脈域

時(shí)脈域是元件中使用同一個(gè)時(shí)脈頻率的部份。將晶片電路分成多個(gè)時(shí)脈域可以讓每個(gè)部份以最適當的速度操作，進(jìn)而節省電力。例如高效能DSP可能需要以1GHz操作，但連接至立體聲編碼解碼器界面的串列埠卻只需12MHz的速度。雖然多時(shí)脈域設計還需要同步電路和橋接電路讓訊號跨越不同的時(shí)脈域，其能大幅降低整體功耗。

頻率調整

元件的某些時(shí)脈域在不同時(shí)間可能會(huì )有不同的操作需求，例如處理器若在某段時(shí)間只有10%的運算需求，那么將時(shí)脈頻率減為平常的1/10就能大幅降低時(shí)脈功耗。動(dòng)態(tài)時(shí)脈調整電路的設計必須非常小心，以確保同步邏輯電路收到穩定而不會(huì )跳動(dòng)的最小負載L期時(shí)脈。頻率調整對于使用電池的應用最有幫助。

時(shí)脈閘控

時(shí)脈閘控會(huì )切斷閑置電路的時(shí)脈，其中又以睡眠模式的做法最簡(jiǎn)單，它讓使用者利用軟體關(guān)掉晶片部份電路。其它技術(shù)則自動(dòng)將元件某些部份的時(shí)脈關(guān)掉，直到有需要時(shí)再啟動(dòng)，例如乙太網(wǎng)路的媒體存取控制器(MAC)平?？商幱谒吣Ｊ?，等到它偵測到網(wǎng)路后才開(kāi)始工作。時(shí)脈閘控也和頻率調整一樣適合所有使用電池的應用。

靜態(tài)電壓調整

若應用的效能需求較低，元件也可在較低電壓下操作。舉例來(lái)說(shuō)，若DSP是在1.2V電壓下以720 MHz速率工作，它也能使用1.1V電壓并以600MHz頻率操作。由于功耗與電壓平方成正比，在1.1V電壓下以600MHz速率操作的功耗只有720MHz功耗的(1.1V/1.2V)2，大約是84%左右。另外，操作功耗也會(huì )因為時(shí)脈頻率降低而減少兩成。

動(dòng)態(tài)電壓/頻率調整

這種技術(shù)讓電壓隨著(zhù)頻率而減少以進(jìn)一步節省功耗。頻率的切換同樣必須非常小心，元件應先將時(shí)脈切斷，然后才改變操作電壓。動(dòng)態(tài)電壓

/頻率調整技術(shù)非常適合可攜式應用。