功率管理——每個(gè)設(shè)計(jì)師的責(zé)任

便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)功率都非?！懊舾小?。他們需要努力節(jié)省每一毫瓦以延長(zhǎng)電池壽命，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。但對(duì)于使用交流電源的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，功率管理并非那么重要。真的是這樣嗎？

事實(shí)上，不管是接入交流電源的系統(tǒng)還是便攜式系統(tǒng)，如今所有的嵌入式系統(tǒng)都必須智能地管理功率。功率管理非常重要，并且其重要性是與日俱增。設(shè)計(jì)師為何需要關(guān)注功率問(wèn)題的理由已經(jīng)非常多，并且還在不斷增加。例如，我們存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量每年都在急劇膨脹。為了處理所有這些數(shù)據(jù)，需要更新更快的服務(wù)器，而且多多益善。

更多服務(wù)器、甚至每個(gè)機(jī)箱內(nèi)容納更多的刀片服務(wù)器都意味著對(duì)電源更高的功率要求。新增的服務(wù)器會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，也就要求更好地冷卻處理，空調(diào)系統(tǒng)就會(huì)越來(lái)越昂貴。而且別忘了電力本身的成本也比以往要高。

因此為什么功率不是嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員的“首要”考慮因素呢？

“功率問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)始成為首要考慮因素了，”飛思卡爾半導(dǎo)體公司工程技術(shù)經(jīng)理Rob Oshana表示，“歷史上，嵌入式系統(tǒng)的全部任務(wù)就是完成好對(duì)希缺資源的分配，如性能、內(nèi)存和功率。但性能曾是關(guān)鍵品質(zhì)，所以經(jīng)常以犧牲功率為代價(jià)?！?/P>

也許更能說(shuō)明問(wèn)題的是功率管理設(shè)計(jì)有多難。從軟件開(kāi)發(fā)和芯片設(shè)計(jì)方面看，性能通常比較容易管理。提高時(shí)鐘頻率是提高性能的簡(jiǎn)易途徑，但它卻會(huì)加劇功率問(wèn)題。

系統(tǒng)成本是另外一個(gè)考慮因素。降低系統(tǒng)功率就會(huì)減少風(fēng)扇和散熱器的使用數(shù)量，這是使用較低功率的另一個(gè)極好的理由。

圖1：即時(shí)是接交流電的嵌入式系統(tǒng)，也并不意味著可以不關(guān)心功率管理問(wèn)題。

隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)師還需要對(duì)功率理解得更加透徹。隨著當(dāng)前工藝水平的提高，在一些案例中甚至達(dá)到了45nm，漏電流正成為影響總體功率預(yù)算的主要因素。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要密切關(guān)注功率方程中的有效成分。

Actel公司高級(jí)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)理Tim Morin認(rèn)為，需求將隨著時(shí)間而不斷改變?！澳愕挠?jì)算需求在變化——它們總是在是變化。因此你如何能夠在不必改變環(huán)境的條件下取得更好的功耗/熱量耗散呢？你可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)電源使用模型、理解有多少功率可用以及實(shí)際消耗多少功率來(lái)做到這一點(diǎn)?！?/P>

一些業(yè)界人士并認(rèn)為開(kāi)發(fā)人員在設(shè)計(jì)中忽略了功率因素。Luminary Micro公司的Jean Ann Booth認(rèn)為，“功率因素經(jīng)常在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就被考慮到了，而且這樣的做法越來(lái)越廣泛。接交流電源但對(duì)功率越來(lái)越敏感的嵌入式領(lǐng)域包括白色家電(如電冰箱、洗衣機(jī)、干燥機(jī)等)和HVAC?！?/P>

在過(guò)去幾年中我們?cè)诎咨译娭幸?jiàn)證的許多功率改進(jìn)，大多是政府指令和激勵(lì)共同作用的結(jié)果，特別是美國(guó)聯(lián)邦政府贊助的能源之星計(jì)劃。但這些仍然不夠。

Booth認(rèn)為，“除美國(guó)之外的每一個(gè)工業(yè)化國(guó)家都有相關(guān)的政府指令，要求對(duì)這類系統(tǒng)的功效進(jìn)行改進(jìn)。美國(guó)則選擇通過(guò)消費(fèi)市場(chǎng)自身的力量和對(duì)能源之星等級(jí)的渴求來(lái)鼓勵(lì)能效改進(jìn)?！?/P>

盡早并經(jīng)?？紤]功率問(wèn)題

為什么在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早考慮功率因素如此重要？關(guān)鍵問(wèn)題是能源消耗：全球?qū)δ茉吹南恼谝泽@人的速度增加。由于許多能源是從非再生資源(石油或煤)產(chǎn)生的，因此全球必須從越來(lái)越少的可用能源中壓榨出更多的“油水”。工程師可以通過(guò)提高設(shè)備的效率或降低其總體功率要求來(lái)達(dá)到節(jié)省功率的目的。

“提高效率”可以簡(jiǎn)單地用更新更具能效的器件替代老器件實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槿蚩偰茉吹募s70%消耗在運(yùn)動(dòng)類設(shè)備上，因此對(duì)這類設(shè)備的改進(jìn)將明顯減少全球總的能源消耗。

飛思卡爾公司網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算系統(tǒng)部的Don Shin指出，術(shù)語(yǔ)“功率”被使用過(guò)度了?！氨M管功率對(duì)設(shè)計(jì)師而言確實(shí)是一個(gè)供應(yīng)問(wèn)題，并與FET、電容、電感之類的器件有關(guān)，但能源將更復(fù)雜，它決定了散熱策略、系統(tǒng)尺寸和長(zhǎng)期消耗成本。工程師經(jīng)常討論降低功率的問(wèn)題，但他們真正討論的是降低能源以支持熱量、空間和成本約束?！?

不管今天我們對(duì)功率的理解程度達(dá)到了何種水平，所有設(shè)計(jì)師都理解和同意功率管理是、并且今后也一直是高優(yōu)先級(jí)的考慮因素。