降低功耗與性能并舉的電源管理技術(shù)SmartReflex

引言：盡管芯片級集成、亞微米制造工藝都有助于減小手機的尺寸并實(shí)現更多的功能，但是更小的亞微米工藝會(huì )加劇靜態(tài)漏電流問(wèn)題。于是便攜式移動(dòng)設備制造商面臨既要降低功耗又要增強系統性能的艱巨挑戰。本文討論的SmartReflex技術(shù)可在SoC芯片級實(shí)現具有智能、自適應功能的電源和性能管理解決方案。

圖1：SmartReflex技術(shù)框架。

今天的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設備功率預算面臨著(zhù)空前的挑戰，只有功能強大的完整電源管理方法才能解決這些挑戰。這種方法開(kāi)始于工藝技術(shù)，并逐步向硬件、系統級芯片(SoC)架構和軟件方面發(fā)展。

無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商強烈呼吁在手機中增加更多的功能，以使他們能開(kāi)發(fā)出增加每用戶(hù)平均收入(ARPU)的新業(yè)務(wù)。而用戶(hù)也希望獲得新的功能。視頻、移動(dòng)數字電視、高保真音頻、三維視頻游戲、數字攝影、安全應用和其它功能將很快會(huì )打破以往的業(yè)界標準：一塊充電電池最少維持4小時(shí)通話(huà)時(shí)間和超過(guò)120小時(shí)的待機時(shí)間。電池容量永遠跟不上手機層出不窮、激動(dòng)人心的新功能。雖然用戶(hù)愿意獲得新的應用，但他們也希望使用更小巧時(shí)髦的移動(dòng)設備，這些需求進(jìn)一步加快了手機等產(chǎn)品向更高層硅片集成和更小尺寸亞微米工藝發(fā)展的趨勢。

諸如低功率模式、時(shí)鐘門(mén)控以及動(dòng)態(tài)電壓頻率調整(DVFS)等傳統的電源管理技術(shù)在無(wú)線(xiàn)手機、PDA、筆記本電腦和其它對功率敏感的設備中已經(jīng)得到了廣泛應用。當然，這些技術(shù)還將繼續發(fā)揮作用，但目前業(yè)界的趨勢是能夠同時(shí)滿(mǎn)足功率與性能要求的全面解決方案。

對于高性能、對功率敏感的應用而言，降低功耗只是一部分挑戰。目前及以后的要求是性能更高且每功能功耗更少。手機高端應用的工作頻率比語(yǔ)音通信高得多。例如，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設備簡(jiǎn)單的語(yǔ)音工作頻率一般在20MHz以下，而視頻應用可能需要200MHz以上的頻率。僅僅是管理幾十萬(wàn)像素的高分辨率視頻顯示器就需要大量的功耗處理周期。因此只有涵蓋各個(gè)功能模塊及多處理內核的創(chuàng )新降耗技術(shù)才能使系統實(shí)現動(dòng)態(tài)自適應，以更低功耗獲得更高性能。

除了動(dòng)態(tài)功率或晶體管開(kāi)關(guān)功耗之外，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)設備還面臨由于元件尺寸縮小而引發(fā)的新的靜態(tài)漏電功耗問(wèn)題。需要體積更小、集成度更高的元件以滿(mǎn)足消費者對小體積多功能設備的要求。不過(guò)隨著(zhù)工藝尺寸的縮小，例如從90nm到65nm，漏電功耗呈指數式上升，從而使器件的總功耗顯著(zhù)提高。此外，隨著(zhù)工藝尺寸的縮小，需要增加額外的片上存儲器以支持新的應用，而存儲器恰恰就是靜態(tài)漏電功耗的主要來(lái)源。功耗會(huì )轉換成熱量，而在移動(dòng)無(wú)線(xiàn)設備中，熱量會(huì )對系統性能產(chǎn)生相當大的負面影響，使系統本身的可靠性和穩定性降低。SmartReflex技術(shù)的基本組成

傳統的電源管理策略注重降低動(dòng)態(tài)功耗，而TI公司的SmartReflex解決方案對電源與性能的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了整體分析，能夠同時(shí)解決動(dòng)態(tài)和靜態(tài)漏電功耗問(wèn)題。SmartReflex電源與性能管理技術(shù)可以應對現今移動(dòng)設備的設計挑戰，還能為未來(lái)的發(fā)展提供合適的解決方案。

圖2：基于SmartReflex技術(shù)的OMAP2420處理器。

SmartReflex技術(shù)由三部分組成：第一是硅知識產(chǎn)權(IP)，第二是能夠應用在SoC設計級的技術(shù)，第三是管理硬件使能SmartReflex技術(shù)的系統軟件，這些技術(shù)可與其它基于操作系統或第三方軟件子系統的電源管理技術(shù)無(wú)縫連接。目前SmartReflex技術(shù)被TI公司用于在定制和標準產(chǎn)品器件中實(shí)現業(yè)界領(lǐng)先的電源與性能管理。

TI將其在硅片級電源與性能管理方面的技術(shù)和經(jīng)驗移植到SmartReflex技術(shù)中。靜態(tài)漏電功耗就是SmartReflex技術(shù)解決的主要挑戰之一。靜態(tài)漏電功耗在較小工藝節點(diǎn)時(shí)占據器件總功耗的很大一部分。有幾種SmartReflex技術(shù)能被用于有效限制器件的漏電流。例如，采用SmartReflex技術(shù)后，OMAP2420處理器的靜態(tài)漏電功耗被降低了40%。目前，TI的許多90nm無(wú)線(xiàn)器件已經(jīng)通過(guò)采用SmartReflex技術(shù)降低了漏電功耗。今后，所有90nm、65nm和更小工藝節點(diǎn)的新器件都將采用這些突破性的技術(shù)。

另一種硅片級SmartReflex技術(shù)是電源管理單元庫，它能通過(guò)功率切換、隔離和電壓變換等方法劃分器件的電源域。采用多電源域構造器件，能使那些沒(méi)被激活的功能模塊降低功耗，或進(jìn)入睡眠模式，這樣既降低功耗又確保最佳性能。為了簡(jiǎn)化芯片級集成，SmartReflex技術(shù)具有易用的、免插入設計流程。