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如何选用合适DSP元件进行低功率设计

2019-07-14 13:31发布

如何选用合适DSP元件进行低功率设计

许多嵌入式处理器都宣称它们的功耗最低。但是事实上没有一颗元件能在所有的应用中保持最低功耗，因为低功耗的定义与应用环境习习相关，适合某种应用的晶片设计很可能会给另一种应用带来难题。可携式应用多半是根据电池寿命来定义低功耗，这类应用的功能相当广泛，操作模式也千变万化。电信系统元件若要满足应用电源需求，就必须在功率预算范围内处理所要求的通道数目，同时透过封装和电路板将功耗散逸，以确保元件保持在额定温度范围内；另外，这些基础设施应用也很重视最大负载条件下的功耗。因此，为了达到功耗要求，DSP供应商会针对目标应用选择最合适的元件制程、电路设计、电压和频率操作点以及整体架构。

省电技术
　　
DSP供应商有许多技术可以用来降低功耗，并且达成效能目标，包括：
　　●选择适当制程；
　　●电晶体设计技术；
　　●选择正确的操作频率和电压；
　　●选择正确的架构，包括整合度、记忆体架构和运算处理单元；
　　●採用散热效率很高的封装，确保元件保持在特定操作温度范围内。

功耗来源
　　
无论应用为何，元件功耗都包含下面几种来源：
　
漏电功耗（leakage power）
　
元件的漏电功耗为固定值，不受处理器动作或操作频率影响，但会随着制程、操作电压和温度而改变。低精密度（low geometry）制程的漏电功耗多半会跟着电压和温度而呈指数增加。

时脉功耗（clocking power）
　　
元件的时脉功耗与时脉频率成正比。高整合度元件的晶片面积多半用于记忆体或暂存器等同步组件，如果时脉架构设计不良，那么无论元件实际工作量多寡，其功耗都会保持不变。

操作功耗（active power）
　　
与元件当时所执行的实际系统功能有关。
　　
除了上述来源之外，元件功耗还会受到两大因素影响：

元件电流
　　
元件电流越高，电池电力的消耗速度就越快，有时还会超出功率预算范围而导致供应电压下降，使元件脱离正常操作区而造成错误。

元件/系统温度升高
　　
元件若无法有效散热，其温度就可能超出额定范围而造成操作错误。
　　
下列最佳化技术会以不同方式解决前述各种功耗问题。

选择适当制程
　　
为了使不同应用的效能和功耗达到最佳化，德州仪器（TI）能提供各种制程类型，例如TI的130奈米低漏电制程在1.5V操作时几乎没有漏电流，对于DSP多半处于闲置状态的可携式应用而言，这种低漏电制程就能帮助它们节省功耗。另一种高效能制程的漏电流较大，却能在1.2V下操作，採用该制程的元件可以达到低漏电制程的两倍MHz效能。在较重视最大操作功耗（fully-active power）的基础设施应用里，这种高效能制程的竞争力还胜过低漏电制程，原因有两点：首先，低漏电运算处理单元的操作频率只有高效能制程的一半，这表示其数量必须加倍才能提供同样效能，但这会导致元件成本提高。其次，由于功耗与电压平方成正比，故在其他条件相同的情形下，高效能制程的操作功耗只有低漏电制程的（1.2V/1.5V）2或是64％。由于低操作功耗对于基础设施应用的重要性通常会超过低漏电功耗，因此高效能制程就成为这类应用的最佳选择。

电晶体设计
　　
同样制程的电晶体也可以有不同的开关临界电压（VT），例如低VT电晶体的切换速度较快，高VT电晶体的漏电流则较小，晶片只需在会影响速度的部份使用低VT电晶体，其它电路则採用高VT电晶体以节省电力。设计人员的元件资料库应包含高VT和低VT电晶体所构成的基本逻辑闸（NAND、NOR和INVERT等），他们有时还会使用中间临界电压（middle-VT）的电晶体。一般说来，除非为了满足重要的效能要求，否则应尽量使用高VT电晶体组成的逻辑闸。
　　元件操作点：电压和频率
　　数种元件时脉供应方式可以节省功耗：
　　●多时脉域（multiple clock domain）；
　　●动态频率调整（dynamic frequency scaling）；
　　●时脉闸控（clock gating）。
　　除了时脉，调整电压也能降低功耗：
　　●静态电压调整；
　　●动态电压/频率调整；
　　●多电压域（multiple voltage domain）。

多时脉域
　　
时脉域是元件中使用同一个时脉频率的部份。将晶片电路分成多个时脉域可以让每个部份以最适当的速度操作，进而节省电力。例如高效能DSP可能需要以1GHz操作，但连接至立体声编码解码器界面的串列埠却只需12MHz的速度。虽然多时脉域设计还需要同步电路和桥接电路让讯号跨越不同的时脉域，其能大幅降低整体功耗。

频率调整
　　
元件的某些时脉域在不同时间可能会有不同的操作需求，例如处理器若在某段时间只有10％的运算需求，那么将时脉频率减为平常的1/10就能大幅降低时脉功耗。动态时脉调整电路的设计必须非常小心，以确保同步逻辑电路收到稳定而不会跳动的最小负载週期时脉。频率调整对于使用电池的应用最有帮助。
时脉闸控
　　
时脉闸控会切断闲置电路的时脉，其中又以睡眠模式的做法最简单，它让使用者利用软体关掉晶片部份电路。其它技术则自动将元件某些部份的时脉关掉，直到有需要时再启动，例如乙太网路的媒体存取控制器（MAC）平常可处于睡眠模式，等到它侦测到网路后才开始工作。时脉闸控也和频率调整一样适合所有使用电池的应用。

静态电压调整
　　
若应用的效能需求较低，元件也可在较低电压下操作。举例来说，若DSP是在1.2V电压下以720 MHz速率工作，它也能使用1.1V电压并以600MHz频率操作。由于功耗与电压平方成正比，在1.1V电压下以600MHz速率操作的功耗只有720MHz功耗的（1.1V/1.2V）2，大约是84％左右。另外，操作功耗也会因为时脉频率降低而减少两成。

动态电压/频率调整
　　
这种技术让电压随着频率而减少以进一步节省功耗。频率的切换同样必须非常小心，元件应先将时脉切断，然后才改变操作电压。动态电压
频率调整技术非常适合可携式应用。

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