3G手機技術(shù)發(fā)展與設計架構(4)

　　新一代的3G手機標榜著(zhù)更豐富多元的應用功能，以及更佳的移動(dòng)影音效果，這雖是令消費者很期待的訴求，但要落實(shí)到手機的設計上時(shí)，除了要在有限空間中塞入更多元件的難題外，也得克服功耗設計上的瓶頸。過(guò)去的語(yǔ)音通話(huà)戰友用的運算資源有限，只需采用低時(shí)脈的微處理器即可運作，但新的3G多媒體手機中，陸續整合中的Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV等通信功能，將增加射頻／基頻的處理功耗；視頻電話(huà)、電視或3D游戲，則會(huì )大幅提升應用處理器的運算負荷；此外，採用更大的螢幕及更佳的解析度，也會(huì )造成系統功耗的沈重負擔。這些，都和多元功能的訴求背道而馳。

　　如果電池的容量能夠有所突破的話(huà)，或許還能疏解手機對電力供應上的飢渴需求，但實(shí)際的情況是電池供電力雖逐年有提升，但遠遠比不上移動(dòng)設備對供電需求的成長(cháng)。就SIA在2002年更新發(fā)表的技術(shù)發(fā)展藍圖來(lái)看，最大電池供電力與容量平均每年成長(cháng)10～15％，但手機系統的電力需求卻是以每年35～40％的需求比例在成長(cháng)中。在此情況下，手機耗電與電池供電的差距只會(huì )不斷地擴大。

　　在電池電力難以相應提升的情況下，手機業(yè)者只好想盡辦法做出最低功耗的設計，也就是從節流的角度，從最微小的電晶體層級到晶片電路規劃、再到系統層級的記憶體讀寫(xiě)，以及軟、硬件架構及演算法等各個(gè)面向，一一去做到低功耗、低洩露的省電策略及電源管理模式。以下將從不同的層面來(lái)探討3G手機的低功耗設計議題。

　　■動(dòng)態(tài)與靜態(tài)功耗

　　根據2005年ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）的預估，到了2008年時(shí)，高效能晶片的電路閘長(cháng)度（gate length）等實(shí)體性參數將會(huì )比2005年時(shí)的數值縮減一半，但同時(shí)這些晶片的供電需求也將會(huì )增加。在發(fā)展藍圖報告的結論中指出：「耗電的增加來(lái)自于更高的晶片作業(yè)頻率、更高的互連總體電容及電阻，以及由級數成長(cháng)的晶片中電晶體增加的電路閘洩漏?！?/P>

　　要了解電子系統的耗電議題，需從動(dòng)態(tài)功耗（Dynamic Power）和靜態(tài)功耗（Static Power）兩個(gè)面向來(lái)看。一個(gè)半導體元件的耗電，即是這兩項功耗的加總：

　　Ptotal＝Pdynamic＋Pstatic

　　其中動(dòng)態(tài)功耗是在運作模式中產(chǎn)生的功耗，此時(shí)信號值在切換、類(lèi)比電路處于改變狀態(tài)，也就是此元件正在操作某項應用功能，它可定義為：

　　Pdynamic＝Capacitance × Voltage2 × Frequency

　　從這個(gè)方程式中我們可以看出，動(dòng)態(tài)功耗來(lái)自于負載電容充放電和電流的切換，其中電壓與功耗是平方關(guān)系，對功耗的直接影響最大，也就是說(shuō)電壓愈高，相對的功耗也會(huì )以級數上升；高速的頻率同樣也是提升功耗的殺手。因此降低電壓與時(shí)脈是節省動(dòng)態(tài)功耗的基本策略。

　　靜態(tài)功耗則是當元件處于待機狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的功耗，可表示如下：

　　Pstatic＝f（leakage current）

　　靜態(tài)功耗是洩露電流狀況的涵數，它和使用的制程、晶片尺寸和電晶體中的電壓有密切關(guān)系。當元件處于待機休眠狀態(tài)時(shí)，電路本身難以避免會(huì )產(chǎn)生微小的電流釋放，造成持續性的耗電。在過(guò)去的微米時(shí)代，動(dòng)態(tài)功耗是手持設備耗電的主因，靜態(tài)功耗的影響極微，但隨著(zhù)制程的微縮，靜態(tài)的洩露電流持續上升，在進(jìn)入90奈米后，靜態(tài)功耗的提升更為快速，已是不容忽視的耗電課題。請參考（圖一）。

　　▲圖一：靜態(tài)的電流洩露狀況隨制程進(jìn)展而趨于嚴重。

　　■電源管理模式

　　從以上的分析可以清楚地知道，在電子產(chǎn)品的耗電上，主要來(lái)自于電流洩露（current leakage）、電壓上升，和時(shí)脈頻率的提升。因此想進(jìn)行低功耗的設計，就得從這此三點(diǎn)來(lái)下手。其實(shí)降低耗電的不二法門(mén)，就是不需用到電的地方，就讓它休息，但要用時(shí)，又要盡快把它叫醒。因此，就手機的系統層面來(lái)看，會(huì )區分出主處理器、周邊和PLL等不同的區域（Domain），并視設備的工作現況而進(jìn)入不同程度的省電模式。

　　目前市場(chǎng)上各家廠(chǎng)商所提供的省電模式大同小異，我們以Freescale的i.MX31/i.MX31L應用處理器平臺為例，它總共分為六種供電操作模式，當進(jìn)入愈深度的休眠狀態(tài)，所需喚醒的時(shí)間就會(huì )愈長(cháng)，如（圖二）所示。這六種模式分別是：

　　1.運作（Run）：一般運作狀態(tài)，以頻率及電壓的管理來(lái)提供省電機制。

　　2.待機（Wait）：在此模式中，主處理器的時(shí)脈會(huì )停止，但是匯流排交換器和周邊的時(shí)脈還保持在運作狀態(tài)。

　　3.打盹（Doze）：主處理器和匯流排交換器都停止，透過(guò)對時(shí)脈控告器（clock controller）模組的預先設定，一些特定的周邊也能在此模式時(shí)自動(dòng)的關(guān)掉時(shí)脈供給。此模式的恢復運作時(shí)間很短。

　　4.狀態(tài)保留（State Retention）：此模式下所有的時(shí)脈都會(huì )關(guān)掉，PLL也會(huì )停用，外部的記憶體被設定為低功耗模式（self-refresh）。此模式比Doze模式還要省電，叫醒時(shí)間較長(cháng)，但在叫醒后不需恢復任何資料。

　　5.深度睡眠（Deep Sleep Mode；DSM）：在此模式下，整個(gè)主處理器平臺的電源供應都會(huì )被關(guān)掉，所有相關(guān)的暫存器資料都必須先做存檔動(dòng)作。此模式也稱(chēng)為WFI（Wait-for-Instruction）。

　　6.冬眠（Hibernate）：整顆IC的供電都停止，所有內部的資料必須先存到外部的存儲器當中。

　　▲圖二：不同省電模式的耗電與喚醒時(shí)間比較。

　　以ST的Nomadik來(lái)說(shuō)，也有類(lèi)似的待機省電模式，以及相應的技術(shù)策略。Nomadik採用時(shí)脈閘控（clock-gating）和運算子隔離（operand-isolation）技術(shù)來(lái)關(guān)閉晶片中非活動(dòng)的部分。為了降低靜態(tài)耗電，晶片中除了即時(shí)時(shí)脈（Real Time Clock；RTC）和電源管理單元（PMU）外，其他的電路都可以處于不供電狀態(tài)，但可以在3ms內重新開(kāi)始運作。

　　在動(dòng)態(tài)功耗上，可以針對晶片中不同的區域，依工作需求而提供不同的時(shí)脈與操作電壓。例如Freescale即提出動(dòng)態(tài)程序溫度補償（Dynamic Process Temperature Compensation；DPTC）和動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放（Dynamic Voltage Frequency Scaling；DVFS）兩項技術(shù)。其中DPTC可根據當下的溫度和所使用的制程來(lái)動(dòng)態(tài)調整供電電壓；DVFS則能將操作電壓降低到所需使用的最小等級，以支援特定時(shí)間中執行該項應用功能的最小操作頻率。

　　▲圖三：DVFS的運作示意圖。

　　不過(guò)，採用低驅動(dòng)電壓雖有助于降低耗電，但隨著(zhù)制程的微縮，目前供給電壓（Supply Voltage）與臨界電壓（Threshold Voltage）已相當接近，能在下降的空間已經(jīng)有限。此外，想降低電壓又不影響功率，只能提高電流量，這又會(huì )導致電流洩露與造成信號不穩定的EMI等議題。

　　還有一些作法能有效降低電路層級的功耗。其中一種作法是從個(gè)別電路閘的功耗（power-per-gate）去下手。應用處理器的廠(chǎng)商會(huì )在電路中採用兩種特殊的電晶體，即高臨限電壓（high-Vt）和低臨限電壓（low-Vt）電晶體。其中低臨限電壓是一種高速但電流洩露相對較高的電晶體，它適合用在強調效能表現的關(guān)鍵性時(shí)刻；高臨限電壓則是一種低速和低洩露性的電晶體，它能藉由降低電路關(guān)閉下的電流洩露來(lái)延長(cháng)電池的壽命和預備（standby）的時(shí)間。

　　■提升效率＝降低功耗

　　除了上述多層次的省電模式及從電路層級進(jìn)行低功耗設計外，3G手機想降低整體的功耗，還得從系統架構面去進(jìn)行妥善的規劃。在手持設備中，採用高時(shí)脈的處理器并不一定就能獲得理想的運算效能，但肯定會(huì )降低電池的壽命，并產(chǎn)生高熱的問(wèn)題。因此，如何在效能與功耗之間取得最佳的平衡，就得靠系統架構的規劃來(lái)決定。

　　「專(zhuān)業(yè)分工」是3G手機系統的必然發(fā)展趨勢，因為此舉能在提升效率的同時(shí)，也降低了系統的功耗。這包括通訊功能與應用功能分別由專(zhuān)屬的單元來(lái)處理；依工作性質(zhì)的不同，交給最適合的處理器核心來(lái)執行，例如將控制功能交給RISC主處理器核心（如ARM），大量的信號運算則交給DSP，甚至可以采用專(zhuān)屬的軟、硬年加速單元來(lái)進(jìn)一步提升運算效能的功能，如視頻、音頻、3D、影像等加速器或外掛的多媒體晶片。此外，應用處理平臺會(huì )與電源管理單元（PMU）密切整合在一起，以達到上述的省電機制，請參考（圖四）。

　　▲圖四：應用處理器與電源管理單元的整合架構（以TI OMAP2420為例）。

　　以MPEG-4編碼為例，如果要做到30fps的VGA畫(huà)質(zhì)，用軟件跑要用掉1GHz以上的CPU資源，用此種作法來(lái)處理視頻內容，一下子就會(huì )把電池的電力耗盡；但若采用硬件加速器，則只需要數MHz的CPU資源即可。加速器能獨立地與區域DMA和存儲器資源一起工作，在此種平行運算的架構下，主核心可以用來(lái)執行其他更關(guān)鍵的控制與程式流（program-flow）任務(wù)，或是進(jìn)入省電模式來(lái)延長(cháng)電池壽命。

　　▲硬件加速器與CPU資源使用比較表。

　　目前有兩種指令方式能在不沖擊效能的條件下以較低的頻率操作，進(jìn)而有助于降低功耗，一是單指令多重資料指令集（single-instruction-multiple-data；SIMD），它能達成影像編碼（image coding）演算法的資料級平行運算（data-level parallelism）；另一種方式是採用超長(cháng)指令集（very-long-instruction-word；VLIW）架構，它能在每個(gè)循環(huán)中同步執行多個(gè)運算動(dòng)作。有些多媒體應用處理器將主處理器（RISC）和DSP或VLIW核心整合在一起，作為SIMD/Vector加速引擎。

　　此外，由于系統對存儲器的指令讀取及資料讀寫(xiě)頻繁，這種資料來(lái)往的負載電容充放電過(guò)程，也是產(chǎn)生耗電的一大源頭。因此，妥善的規劃晶片內外部的記憶體型式及對不同存儲器的存取策略，也有助于降低功耗。以應用處理器來(lái)說(shuō)，其常用的系統存儲器包括ROM和SRAM，其中ROM具有安全存取性，而SRAM則具有較快的存取效率，也能降低I/O的耗電性和晶片上（on-chip）的需求頻寬。

　　■結論

　　從事手持設備開(kāi)發(fā)的業(yè)者，無(wú)不將耗電視為首要的考量議題之一，而對于任務(wù)繁重3G手機來(lái)說(shuō)，省電效益更是必須嚴陣以待的事情。目前各大晶片廠(chǎng)商都致力于發(fā)展自己的低功耗技術(shù)，例如TI為其OMAP和DSP系統推出SmartReflex電源管理技術(shù)。此技術(shù)能將靜態(tài)漏電大幅減少1,000倍，并能調整不同元件和系統建構模組的耗電量與效能，同時(shí)利用一組電源管理單元把電路分成多個(gè)電源區來(lái)各自管理，每一區都能切斷電源，以做到零漏電的訴求。Freescale也有一套省電技術(shù)，稱(chēng)為Smart Speed技術(shù)架構下，它以硬件加速器減輕CPU及交叉開(kāi)關(guān)（crossbar switch）的負荷，同時(shí)讓系統具備平行處理功能。

　　▲圖五：TI的SmartReflex技術(shù)採三層省電考量。

　　當我們隨身攜帶一臺3G手機，在講電話(huà)、收聽(tīng)立體聲音樂(lè )、大玩3D游戲之余，還能連續看個(gè)一、兩小時(shí)的行動(dòng)電視，這除了要歸功于內部晶片及系統所提供的強大功能外，更不能忘卻電源管理與各種低功耗設計策略也是3G手機成功的背后主要功臣。(52RD.com)