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行动装置低功耗设计的全面性策略
 

【作者: 歐敏銓】2008年07月25日 星期五

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多功能行动装置低功耗设计挑战

今日的行动设备愈做愈复杂,在一手可以掌握的小型装置中,被要求加入愈来愈多的功能。在通讯功能上,除了提供GSM/GPRS/3G的行动通信链接外,还要支持蓝牙、Wi-Fi、GPS、FM,甚至是行动电视(DVB-H、T-DMB)等。在应用上,照相功能已是基本配置,并持续提升画素及防手震、自动对焦等功能;另一个发展重点则是多媒体功能,行动设备强调提供更逼真的影音质量,如高画质及3D的显示屏幕和立体声的音效等。


这些功能看起来很炫,但在使用上却会带来大量的功耗负担,让仰赖电池供电的行动设备缩短可用的时间。在上述的众多功能中,最耗电的部分是处理器和显示子系统(显示面板与背光源),其次则是射频子系统与音效放大器等,当然,使用闪光灯或录像功能也非常耗电。因此,如何设计出低功耗的系统架构,让有限的电力能够做最到极限的利用,是今日行动装置开发上的主要挑战。


目前技术上的现实是,电池容量的提升速度大幅落后行动装置的供电需求,若要求长时间的供电,往往需要使用更大且更重的电池,这显然又违背了行动装置轻薄短小的设计原则。然而,透过审慎的嵌入式开发规划,仍能在功能与电池续航力之间取得令人满意的平衡。


以采用1.2W-hour电池的iPod nano为例,若其系统的平均功耗为1.2W,将只能使用1个小时;若拿给笔记本电脑来使用的话,由于其平均功耗约为40W,那用不到2分钟就挂了。然而,iPod将听音乐的功耗做到约85mW,因此可以连续听14小时的音乐(新的iPod nano甚至可连续听24小时音乐);看影片的功耗约为300mW,因此可以看约4小时的节目,这样的结果还算不错。


探究功耗源头

整体功耗区分

要开发出低功耗的行动装置,首先要了解系统产生功耗的源头,才有办法对症下药。电子系统的整体功耗,是动态功耗(Dynamic Power)、静态功耗(Static Power)和短路功耗(Short Power)三者的总合,其中动态功耗来自于运作中讯号切换的电力消耗,在此过程中负载电容会充放电和电流切换;静态功耗是当组件处于待机状态时产生的电流泄露功耗,它和使用的制程、芯片尺寸和晶体管中的电压有密切关系;短路功耗(Short-circuit power)是由于在逻辑闸电路的开关过程中,同时导通NMOS 和 PMOS两个组件而产生的。


克服动态静态功耗

参考图一,在整体功耗中,动态功耗约占60%至80%,静态功耗约占10%至30%,短路功耗约占10%,因此以动态功耗最为严重,也是低功耗设计要克服的重点。然而,随着制程微缩的进展,尤其在进入90奈米制程之后,更小的尺寸也让闸极氧化层(gate oxide)日益趋薄,晶体管的漏电流也跟着呈指数性增长,静态功耗也成为必须正视的设计议题。



《图一 动态、静态功耗与制程进展的关系》
《图一 动态、静态功耗与制程进展的关系》

静态功耗与短路功耗主要是芯片层次的议题,需靠芯片制程来改善;动态功耗则涉及芯片与系统电路的操作,与负载电容、供应电压及操作频率直接有关,相关性如下:


  • ●动态功耗 = α x 负载电容(CL)×供应电压(VDD)2×操作频率(f)



因此,供应电压与动态功耗成平方关系,因此降低电压对功耗的影响最为明显,也是行动装置低功耗设计的主要策略。今日行动装置的核心电压已从3.3V降到2.7V,甚至是1.8V,目的就是要降低系统功耗,不过,降低电压的缺点是会造成操作效能下降。


全面开发与设计考虑

要降低这些功耗源头,必须进行全面性的开发与设计考虑。涉及的范围涵盖从晶体管制程到整个设备系统的规划等各个层面,设计途径又可从系统层次、架构层次、逻辑层次或电路层次等角度来切入,可用的方法包括制程技术(如low-k)、电路闸控设计(如Clock Gating、Power Gating)、系统架构(硬件/软件配置算法)和软件管理(如Power-aware操作系统、休眠模式和更有效的内存接取方式)等,如图二所示。



《图二 低功耗设计的可行途径》
《图二 低功耗设计的可行途径》

从芯片设计的层面来看,当晶体管的尺寸愈做愈小,虽然运作频率持续提升,但因核心电压可以降低,寄生电容也会下降,动态功耗反而可以降低;不过,逻辑闸数目的增加,则会导致动态功耗的增加。此外,进入深次微米制程后,供给电压接近threshold voltage,因此制程的微缩对于降低动态功耗已无法得到像过去这么好的效果。现在的作法是依个别操作运算需求提供不同的供给电压,也就是分区供应电压,这样做的设计难度也大幅提升;另一个问题则是低电压会造成高电流的需求,这会导致电流泄露与讯号不稳定的EMI议题。


晶体管低功耗设计

进一步来看,芯片设计可以从电路闸级层次来进行功耗管理,例如运用高临限电压(high-Vt)和低临限电压(low-Vt)两种特殊的晶体管,其中低临限电压是一种高速但电流泄露相对较高的晶体管,它适合用在强调效能表现的关键性时刻;高临限电压则是一种低速和低泄露性的晶体管,它能藉由降低电路关闭下的电流泄露来延长电池的寿命和预备(standby)的时间。


芯片设计上也能透过降低负载电容来降低动态功耗。基本上,不间断的频率切换会导致负载电容值升高,甚至可以占到全部功耗的一半,因此,可藉由关掉暂时不用的频率电路来减少电路运作,进而降低电容和动态功耗。例如使用clock gating避免频率讯号(Clock Signal)不断地启动缓存器,进而有效地最小化整体电容,以达到管理动态功耗的目的。


妥善规划嵌入式内存

另一个针对系统芯片的低功耗作法,则是对嵌入式内存做妥善的规划。目前应用处理器中常用的系统内存包括ROM和SRAM,其中ROM具有安全存取性,而SRAM则可用来做为抓取视讯讯框和执行窗口搜寻的快取缓冲(cache buffer)。采用SRAM能降低内存延迟、I/O的耗电性和芯片上(on-chip)的需求带宽,尤其是在视讯编码进行当中。为了突显省电效能,在芯片中还可针对内存分割(memory partitioning)做优化,进而降低对极耗电的外部内存的读写使用。


多核心分散运算策略

多核心分布式计算架构

处理器的选择是行动装置设计上的关键议题,因为它不仅决定了效能,也会严重影响电池的续航力。这也是为何ARM核心在行动性嵌入式装置中盛行的原因,因为它提供了相当低的功耗,而且支持可变动的频率速度及智能性的省电模式。此外,为了进一步降低功耗,多核心的分布式计算架构也成了行动处理器的主要发展趋势。透过多颗运算核心一起协同工作,一方面提升处理效能,一方面也能透过降低电压及频率来降低处理器的功耗。


多核心架构又可分为同构型(homogeneous)架构和异质性(heterogeneous)架构,其中ARM11 MPCore即是同构型的多核心处理器,可以提供一颗至四颗的处理器组态,而且同时能让每个处理器单独切换到待机、睡眠或关闭电源的管理状态,以适时降低功耗,请参考图三。然而,今日的行动式处理器,尤其是应用处理器,大多采用的是异质性的架构,如TI整合ARM核心与DSP核心的OMAP架构,以及多家公司整合ARM核心及多颗加速器的架构。



《图三 ARM11 MPCore架构图 》
《图三 ARM11 MPCore架构图 》

<数据源:ARM网站>


再以ST的Nomadik为例,它以ARM为主处理器核心(ARM9或ARM11),并搭配多颗可程序智能加速器来来分担在音频和视讯上的前、后处理任务,请参考图四。在任务执行中,这些智能加速器能独立且同时地与主处理器一起运作,进而让系统能在低耗电的条件下达成需求的应用菜单现。这些加速器让主处理器得到释放,让它能专注于控制与程序流(program-flow)的工作,并有更多的时间是处于预备中(IDLE)、低频率(DOZE)和接近静态(SLEEP)等省电模式中。



《图四 分布式处理模式(以Nomadik为例)》
《图四 分布式处理模式(以Nomadik为例)》

<数据源:ST网站>


采用加速器核心

采用加速器核心能明显提升多媒体功能(影像、视讯、音频、2D/3D)的处理效能。举例来说,若依赖主处理器来进行MPEG-4的编码,而且要达到VGA/ 15 fps或VGA/ 30 fps的质量,会占用数百MHz甚至是GHz的运算资源,而且会造成过度的耗电及高热问题,这是行动装置设计所无法接受的。相较之下,采用专属的硬件加速器对一个15 fps的QCIF视讯流进行解压缩时,只需用到0.2 MIPS,这只占了CPU资源的0.07%。


执行有助低功耗指令集

目前有两种指令方式能在不冲击效能的条件下以较低的频率操作,进而有助于降低功耗,一是单指令多重数据指令集(single-instruction-multiple-data;SIMD),它能达成影像编码(image coding)算法的数据级平行运算(data-level parallelism);另一种方式是采用超长指令集(very-long-instruction-word;VLIW)架构,它能在每个循环中同步执行多个运算动作。有些多媒体应用处理器将主处理器(RISC)和DSP或VLIW核心整合在一起,作为SIMD/Vector加速引擎。


电源管理策略

软件电源管理方式

在系统的电源管理作法上,可以分为软件与供电架构两个层面。在软件技术上,原则上即是动态地调整系统中个别组件的工作电压或频率,当运算负荷重时提供较高的工作电压或频率,当运算轻载时(如:待机状态、查询状态、屏幕保护程序等)则可降低电压或频率,此机制一般称为动态电压及频率调整(Dynamic Voltage and Frequency Scaling;DVFS)技术。如果是针对个别组件进行不同休眠深度的管理,则为动态电源管理(Dynamic Power Management;DPM)技术,如图五所示。


《图五 动态电源管理之工作示意图》
《图五 动态电源管理之工作示意图》

电源转换设计管理

在供电架构上,行动装置必须仰赖DC-DC电源转换组件来进行供电,例如对电池进行充放电及安全保护,以及为芯片组、显示器、照相、射频及外围提供电力等。因此如何进行电源转换设计与管理也是延长电池续航力的关键所在。电源转换设计除了成本与尺寸的基本考虑外,还要求做到低负载效率、高电流能力、低待机电流的效能表现;此外,电源转换组件也要容易使用及供应稳定的电流,而且具备设计上的弹性,适合不同的应用功能及配置要求,也要有助于节省运作功耗。


电源转换架构

目前常见的电源供应组件有三大类,即线性调压(LDO)、电容型切换式调压(Charge Pump)及电感型切换式调压,用来为系统中各个组件提供降压(Buck)、升压(Boost)、反相(Invert)等电源应用。其中线性技术只能提供降压功能,而电容型及电感型切换三种转换(稳压)功能都可以提供。


这三种电源转换技术各有其优缺点,线性技术的优点是占用空间小、供电质量佳,但转换效率差(视压降程度);电感型切换式技术的优点是转换效率高(视负载功耗),但供电质量较不理想,占用空间也大;电容型切换技术则在各项表现上都居中。


离散和整合式转换策略

在架构的规划上,可以采用离散式或整合式的电源转换策略,两者各有优缺点。离散式电源转换的优点是很有弹性及容易配置,系统上可选用不同厂商的组件,而且能够为个别单元做到优化的规划。不过,其缺点是需使用较多的转换组件,因此较占用空间,整体成本也可能会较高;此外,因为是个别规划,较不易提出整体性、集中性的智能型电源管理策略,而且各区域的频率并不相同,EMI的过滤抑制也得分头进行。


整合型的电源管理单元(PMU)内部同时建置了多组LDO及切换式转换器,具有容易集中控制及布局单纯的优点,可以实行智能性的省能模式,请参考图六所示。它能依行动设备各别的应用提供配套的供电、电池与重置管理,而且因内建实时频率和自动唤醒功能,因而能实理系统级的深度休眠控制。不过,整合型方案的弹性相对较低,而且无法针对个别区域进行优化的规划。


《图六 PMU整合型功能架构 》
《图六 PMU整合型功能架构 》

<数据源:TI网站>


转换架构布局注意事项

基本上,DC-DC转换器架构的选择是要尽量完全使用电池的能力,也就是能提供高转换效率。除了组件的技术类型外,电路的布局也是重要的关键,不好的布局会降低供电效率,而且可能产生供电不稳定及严重的涟波(ripple)及EMI现象,最糟时还会弄坏电路上的组件。


因此,在布局上有一些原则需要注意,例如将输入电感放在尽量接近芯片的位置,以缩短电感路径;隔离模拟讯号与电源路径,并使用单点接地;尽量不要让EMI或噪讯耦合影响到转换器;对电压的回馈取样需取自输出电容,而且要做好屏蔽;必须随时记得考虑寄生电气特性。


电池管理技术

常用可携式电池特性

行动装置可用的电池包括镍镉、镍氢电池及锂电池,其中锂离子电池的电量密度高于镍镉或镍氢电池,而且因锂是最轻的金属,因此锂电池的重量更轻,而续航力却更持久,一颗锂电池可以抵三颗镍镉或镍氢电池;此外,锂电池自放电(self-discharge)低,在室温下每个月只有2~3%,而且可以随时充电,不用像镍氢或镍镉电池一般,为了保持最佳效能,而需经过完全放电或充电等多次循环。这些特性让锂电池成为今日主流的行动装置电池。


提高锂电池续航力

要延长锂电池的使用期限及续航力,最重要的是避免将设备曝晒于阳光下或置于炎热的车厢内,因为高最容易降低电池的执行效率。一般最适用于0℃至35℃的环境中,其中又以近于室温(约22℃)为最理想。在高于指定作业温度范围(35℃)的环境中使用设备,对电池的蓄电量会造成永久性的伤害。此外,由于充电时会升温,因此需将行动装置从保护套中取出。


为了确保行动设备能正确地管理锂离子电池的充放电,需透过电池管理系统来监控锂离子电池的电池阻抗、温度、电压、充电和放电电流以及充电状态,以便提供详细的剩余供电时间和电池健康信息。电池管理的另一个重点,即在保障使用上的安全,因此必须即早侦测出电流过载、短路、个别电池或电池组电压过载或是过热等任何故障现象,并即刻透过保护开关切断系统与电池的联机。


结论

为了确保行动设备能正确地管理锂离子电池的充放电,需透过电池管理系统来监控锂离子电池的电池阻抗、温度、电压、充电和放电电流以及充电状态,以便提供详细的剩余供电时间和电池健康信息。电池管理的另一个重点,即在保障使用上的安全,因此必须即早侦测出电流过载、短路、个别电池或电池组电压过载或是过热等任何故障现象,并即刻透过保护开关切断系统与电池的联机。


手机等行动装置已是个人随身必备的用具,其重要性就如同钱包和钥匙一样。除了通话功能,行动装置赋与个人更多的便利功能与娱乐应用,如照相、听音乐、定位导航等等,但这些功能都得靠电池供电来支持,否则就只是手持一块废铁而已。因此,如何将电池的续航力做到最长,就是一场技术优势的竞赛了。


电池的续航力决定于系统的整体功耗,而功耗的降低涉及设计上的每个环节,考虑的愈周延,成效就愈明显。从芯片的制程与材料,到系统的电路及供电架构,以及软件的智能性电压、频率控制,和处理器、内存的运算架构等,在在都影响了最终的功耗表现。当我们高高兴兴在使用行动设备的各种功能时,不该忘了有多少工程师在背后斤斤计较,为降低功耗做出了多少的努力,是吧?


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