圖1:SmartReflex技術框架。

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

無線運營商強烈呼吁在手機中增加更多的功能,以使他們能開發出增加每用戶平均收入(ARPU)的新業務。而用戶也希望獲得新的功能。視頻、移動數字電視、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打破以往的業界標準:一塊充電電池最少維持4小時通話時間和超過120小時的待機時間。電池容量永遠跟不上手機層出不窮、激動人心的新功能。雖然用戶愿意獲得新的應用,但他們也希望使用更小巧時髦的移動設備,這些需求進一步加快了手機等產品向更高層硅片集成和更小尺寸亞微米工藝發展的趨勢。

諸如低功率模式、時鐘門控以及動態電壓頻率調整(DVFS)等傳統的電源管理技術在無線手機、PDA、筆記本電腦和其它對功率敏感的設備中已經得到了廣泛應用。當然,這些技術還將繼續發揮作用,但目前業界的趨勢是能夠同時滿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音通信高得多。例如,無線移動設備簡單的語音工作頻率一般在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。因此只有涵蓋各個功能模塊及多處理內核的創新降耗技術才能使系統實現動態自適應,以更低功耗獲得更高性能。

除了動態功率或晶體管開關功耗之外,無線移動設備還面臨由于元件尺寸縮小而引發的新的靜態漏電功耗問題。需要體積更小、集成度更高的元件以滿足消費者對小體積多功能設備的要求。不過隨著工藝尺寸的縮小,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提高。此外,隨著工藝尺寸的縮小,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漏電功耗的主要來源。功耗會轉換成熱量,而在移動無線設備中,熱量會對系統性能產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技術的基本組成

傳統的電源管理策略注重降低動態功耗,而TI公司的SmartReflex解決方案對電源與性能的相關問題進行了整體分析,能夠同時解決動態和靜態漏電功耗問題。SmartReflex電源與性能管理技術可以應對現今移動設備的設計挑戰,還能為未來的發展提供合適的解決方案。

圖2:基于SmartReflex技術的OMAP2420處理器。

SmartReflex技術由三部分組成:第一是硅知識產權(IP),第二是能夠應用在SoC設計級的技術,第三是管理硬件使能SmartReflex技術的系統軟件,這些技術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無縫連接。目前SmartReflex技術被TI公司用于在定制和標準產品器件中實現業界領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和經驗移植到SmartReflex技術中。靜態漏電功耗就是SmartReflex技術解決的主要挑戰之一。靜態漏電功耗在較小工藝節點時占據器件總功耗的很大一部分。有幾種SmartReflex技術能被用于有效限制器件的漏電流。例如,采用SmartReflex技術后,OMAP2420處理器的靜態漏電功耗被降低了40%。目前,TI的許多90nm無線器件已經通過采用SmartReflex技術降低了漏電功耗。今后,所有90nm、65nm和更小工藝節點的新器件都將采用這些突破性的技術。

另一種硅片級SmartReflex技術是電源管理單元庫,它能通過功率切換、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,能使那些沒被激活的功能模塊降低功耗,或進入睡眠模式,這樣既降低功耗又確保最佳性能。為了簡化芯片級集成,SmartReflex技術具有易用的、免插入設計流程。

SmartReflex的創新技術

除了采用DVFS和時鐘門控等硬件技術滿足動態功耗要求之外,SmartReflex技術還包含架構級SoC設計的創新技術,因此能解決靜態漏電功耗問題。例如,自適應電壓調整(AVS)、動態功率切換(DPS)和休眠漏電管理(SLM)等就是SmartReflex產品中的創新技術。

在系統軟件級,SmartReflex技術包括智能軟件,能夠管理許多低層的硬件使能技術。例如,SmartReflex技術含有主處理器電源管理軟件,可提供系統級配置的多種功能,例如工作量監控器、工作量預測器、資源管理器以及器件驅動器電源管理軟件。另外,SmartReflex框架還提供DSP/BIOS電源管理軟件。

SmartReflex技術可以跨越許多傳統的分界線,例如處理內核之間的差異。第一和第二代電源管理解決方案基本上是針對專門供應商,而且受限于他們的產品范圍。這些解決方案只適用于某些功能塊或特殊內核,因此只能解決器件功率預算的一小部分。而SmartReflex技術支持多內核、硬件加速器、功能塊、外圍電路和其它系統組件。此外,SmartReflex系統級技術對基于OS的和第三方電源管理軟件是開放的,因此可以開發出均衡考慮電源與性能問題的協作環境。

具有9千萬個晶體管的90nm OMAP2420處理器是應用多內核SmartReflex技術實現的力證。通過實現SmartReflex電源管理庫中的多個硅IP單元,OMAP2420處理器可細分為5個電源域。將處理器內核、加速器、外圍電路和其它邏輯劃分出各自的電源域是SmartReflex技術在架構級和系統軟件級采取智能和自適應方法的根本。根據處理類型和處理負載,SmartReflex技術可以控制任何或所有系統區域,從而達到降低功耗的目的。

作者:Brian Carlson

無線終端事業部蜂窩系統技術市場經理

德州儀器公司