多媒體處理器通常是便攜式電子設備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見方法是降低時鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會使系統(tǒng)性能降低。另一方面，芯片設計人員還提出了各種片上方法來降低功耗，并且不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文介紹了這些方法的概念，以及我們?nèi)绾芜\用它們實現(xiàn)節(jié)能的目的，同時還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。
有源電源管理
片上電源管理技術主要適用于兩類應用：管理有源系統(tǒng)功耗和管理待機功耗。
有源電源管理分為三個部分：動態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);自適應電壓縮放 (AVS);以及動態(tài)電源轉換 (DPS)。另一方面，靜態(tài)功耗管理包括在需要進行更多處理以前將空閑系統(tǒng)維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其通常利用從待機到關機的數(shù)種低功耗模式。
讓我們來看一下有源模式。利用 DVFS，根據(jù)應用所要求的不同性能，時鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進 RISC 機器 (ARM) 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 的應用處理器，即使 ARM 組件可以運行在高達 600 MHz 的時鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計算能力。一般而言，軟件會選擇數(shù)個預定義處理器工作性能點 (OPP)，其包括確保處理器能夠運行在滿足系統(tǒng)處理要求的最低頻率下的電壓。在對滿足不同應用要求的功耗進行優(yōu)化的過程中，為了獲得更大的靈活性，人們?yōu)樘幚砥髦械幕ミB和外設預定義了一個單獨的器件內(nèi)核 OPP 集。
與給定的 OPP 相對應，軟件向外部穩(wěn)壓器發(fā)出控制信號來設置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個電壓源 VDD1(為 DSP 和 ARM 處理器供電)和 VDD2(為子系統(tǒng)和外設之間的互連供電)，同時這些電源軌提供芯片所需的大部分電量(一般約為全部所需電量的 75% 到 80%)。通過將 DSP 處理器轉入一個 ARM 可以高達 125MHz 時鐘頻率運行的低工作性能點完成對 MP3 解碼的同時，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把 VDD1 降至 0.95V，而非保證 600 MHz 運行的 1.35V 最高電壓。
第二種有源電源管理技術即自適應電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現(xiàn)的各種變化。這種技術是相對于 DVFS 的，DVFS 中所有處理器均具有相同的預編程 OPP。正如人們認為的那樣，在大多數(shù)現(xiàn)有制造工藝中規(guī)定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件(即“熱”器件)可以在較低的電壓下達到規(guī)定頻率。此時，AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測其自有性能水平，并相應地調(diào)節(jié)各電壓源。專用片上 AVS 硬件可實施一個反饋環(huán)路，其并不要求處理器介入，從而動態(tài)地優(yōu)化電壓電平來應對處理結果、溫度和硅芯片性能降低中的變化(請參見圖 1)。
