降低功耗与性能并举的电源管理技术SmartReflex

引言：尽管芯片级集成、亚微米制造工艺都有助于减小手机的尺寸并实现更多的功能，但是更小的亚微米工艺会加剧静态漏电流问题。于是便携式移动设备制造商面临既要降低功耗又要增强系统性能的艰巨挑战。本文讨论的SmartReflex技术可在SoC芯片级实现具有智能、自适应功能的电源和性能管理解决方案。

图1：SmartReflex技术框架。

今天的无线移动设备功率预算面临着空前的挑战，只有功能强大的完整电源管理方法才能解决这些挑战。这种方法开始于工艺技术，并逐步向硬件、系统级芯片(SoC)架构和软件方面发展。

无线运营商强烈呼吁在手机中增加更多的功能，以使他们能开发出增加每用户平均收入(ARPU)的新业务。而用户也希望获得新的功能。视频、移动数字电视、高保真音频、三维视频游戏、数字摄影、安全应用和其它功能将很快会打破以往的业界标准：一块充电电池最少维持4小时通话时间和超过120小时的待机时间。电池容量永远跟不上手机层出不穷、激动人心的新功能。虽然用户愿意获得新的应用，但他们也希望使用更小巧时髦的移动设备，这些需求进一步加快了手机等产品向更高层硅片集成和更小尺寸亚微米工艺发展的趋势。

诸如低功率模式、时钟门控以及动态电压频率调整(DVFS)等传统的电源管理技术在无线手机、PDA、笔记本电脑和其它对功率敏感的设备中已经得到了广泛应用。当然，这些技术还将继续发挥作用，但目前业界的趋势是能够同时满足功率与性能要求的全面解决方案。

对于高性能、对功率敏感的应用而言，降低功耗只是一部分挑战。目前及以后的要求是性能更高且每功能功耗更少。手机高端应用的工作频率比语音通信高得多。例如，无线移动设备简单的语音工作频率一般在20MHz以下，而视频应用可能需要200MHz以上的频率。仅仅是管理几十万像素的高分辨率视频显示器就需要大量的功耗处理周期。因此只有涵盖各个功能模块及多处理内核的创新降耗技术才能使系统实现动态自适应，以更低功耗获得更高性能。

除了动态功率或晶体管开关功耗之外，无线移动设备还面临由于元件尺寸缩小而引发的新的静态漏电功耗问题。需要体积更小、集成度更高的元件以满足消费者对小体积多功能设备的要求。不过随着工艺尺寸的缩小，例如从90nm到65nm，漏电功耗呈指数式上升，从而使器件的总功耗显著提高。此外，随着工艺尺寸的缩小，需要增加额外的片上存储器以支持新的应用，而存储器恰恰就是静态漏电功耗的主要来源。功耗会转换成热量，而在移动无线设备中，热量会对系统性能产生相当大的负面影响，使系统本身的可靠性和稳定性降低。

SmartReflex技术的基本组成

传统的电源管理策略注重降低动态功耗，而TI公司的SmartReflex解决方案对电源与性能的相关问题进行了整体分析，能够同时解决动态和静态漏电功耗问题。SmartReflex电源与性能管理技术可以应对现今移动设备的设计挑战，还能为未来的发展提供合适的解决方案。

图2：基于SmartReflex技术的OMAP2420处理器。

SmartReflex技术由三部分组成：第一是硅知识产权(IP)，第二是能够应用在SoC设计级的技术，第三是管理硬件使能SmartReflex技术的系统软件，这些技术可与其它基于操作系统或第三方软件子系统的电源管理技术无缝连接。目前SmartReflex技术被TI公司用于在定制和标准产品器件中实现业界领先的电源与性能管理。

TI将其在硅片级电源与性能管理方面的技术和经验移植到SmartReflex技术中。静态漏电功耗就是SmartReflex技术解决的主要挑战之一。静态漏电功耗在较小工艺节点时占据器件总功耗的很大一部分。有几种SmartReflex技术能被用于有效限制器件的漏电流。例如，采用SmartReflex技术后，OMAP2420处理器的静态漏电功耗被降低了40%。目前，TI的许多90nm无线器件已经通过采用SmartReflex技术降低了漏电功耗。今后，所有90nm、65nm和更小工艺节点的新器件都将采用这些突破性的技术。

另一种硅片级SmartReflex技术是电源管理单元库，它能通过功率切换、隔离和电压变换等方法划分器件的电源域。采用多电源域构造器件，能使那些没被激活的功能模块降低功耗，或进入睡眠模式，这样既降低功耗又确保最佳性能。为了简化芯片级集成，SmartReflex技术具有易用的、免插入设计流程。

SmartReflex的创新技术

除了采用DVFS和时钟门控等硬件技术满足动态功耗要求之外，SmartReflex技术还包含架构级SoC设计的创新技术，因此能解决静态漏电功耗问题。例如，自适应电压调整(AVS)、动态功率切换(DPS)和休眠漏电管理(SLM)等就是SmartReflex产品中的创新技术。

在系统软件级，SmartReflex技术包括智能软件，能够管理许多低层的硬件使能技术。例如，SmartReflex技术含有主处理器电源管理软件，可提供系统级配置的多种功能，例如工作量监控器、工作量预测器、资源管理器以及器件驱动器电源管理软件。另外，SmartReflex框架还提供DSP/BIOS电源管理软件。

SmartReflex技术可以跨越许多传统的分界线，例如处理内核之间的差异。第一和第二代电源管理解决方案基本上是针对专门供应商，而且受限于他们的产品范围。这些解决方案只适用于某些功能块或特殊内核，因此只能解决器件功率预算的一小部分。而SmartReflex技术支持多内核、硬件加速器、功能块、外围电路和其它系统组件。此外，SmartReflex系统级技术对基于OS的和第三方电源管理软件是开放的，因此可以开发出均衡考虑电源与性能问题的协作环境。

具有9千万个晶体管的90nm OMAP2420处理器是应用多内核SmartReflex技术实现的力证。通过实现SmartReflex电源管理库中的多个硅IP单元，OMAP2420处理器可细分为5个电源域。将处理器内核、加速器、外围电路和其它逻辑划分出各自的电源域是SmartReflex技术在架构级和系统软件级采取智能和自适应方法的根本。根据处理类型和处理负载，SmartReflex技术可以控制任何或所有系统区域，从而达到降低功耗的目的。

作者：Brian Carlson

无线终端事业部蜂窝系统技术市场经理

德州仪器公司