量身訂制的DSP元件設(shè)計方案

許多嵌入式處理器都宣稱它們的功耗最低。但是事實上沒有一顆元件能在所有的應用中保持最低功耗，因為低功耗的定義與應用環(huán)境習習相關(guān)，適合某種應用的晶片設(shè)計很可能會給另一種應用帶來難題?？蓴y式應用多半是根據(jù)電池壽命來定義低功耗，這類應用的功能相當廣泛，操作模式也千變?nèi)f化。電信系統(tǒng)元件若要滿足應用電源需求，就必須在功率預算范圍內(nèi)處理所要求的通道數(shù)目，同時透過封裝和電路板將功耗散逸，以確保元件保持在額定溫度范圍內(nèi)；另外，這些基礎(chǔ)設(shè)施應用也很重視最大負載條件下的功耗。因此，為了達到功耗要求，DSP供應商會針對目標應用選擇最合適的元件制程、電路設(shè)計、電壓和頻率操作點以及整體架構(gòu)。

省電技術(shù)
　　
DSP供應商有許多技術(shù)可以用來降低功耗，并且達成效能目標，包括：
　　●選擇適當制程；
　　●電晶體設(shè)計技術(shù)；
　　●選擇正確的操作頻率和電壓；
　　●選擇正確的架構(gòu)，包括整合度、記憶體架構(gòu)和運算處理單元；
　　●採用散熱效率很高的封裝，確保元件保持在特定操作溫度范圍內(nèi)。

功耗來源
　　
無論應用為何，元件功耗都包含下面幾種來源：
　
漏電功耗（leakage power）
　
元件的漏電功耗為固定值，不受處理器動作或操作頻率影響，但會隨著制程、操作電壓和溫度而改變。低精密度（low geometry）制程的漏電功耗多半會跟著電壓和溫度而呈指數(shù)增加。

時脈功耗（clocking power）
　　
元件的時脈功耗與時脈頻率成正比。高整合度元件的晶片面積多半用于記憶體或暫存器等同步組件，如果時脈架構(gòu)設(shè)計不良，那么無論元件實際工作量多寡，其功耗都會保持不變。

操作功耗（active power）
　　
與元件當時所執(zhí)行的實際系統(tǒng)功能有關(guān)。
　　
除了上述來源之外，元件功耗還會受到兩大因素影響：

元件電流
　　
元件電流越高，電池電力的消耗速度就越快，有時還會超出功率預算范圍而導致供應電壓下降，使元件脫離正常操作區(qū)而造成錯誤。

元件/系統(tǒng)溫度升高
　　
元件若無法有效散熱，其溫度就可能超出額定范圍而造成操作錯誤。
　　
下列最佳化技術(shù)會以不同方式解決前述各種功耗問題。

選擇適當制程
　　
為了使不同應用的效能和功耗達到最佳化，德州儀器（TI）能提供各種制程類型，例如TI的130奈米低漏電制程在1.5V操作時幾乎沒有漏電流，對于DSP多半處于閑置狀態(tài)的可攜式應用而言，這種低漏電制程就能幫助它們節(jié)省功耗。另一種高效能制程的漏電流較大，卻能在1.2V下操作，採用該制程的元件可以達到低漏電制程的兩倍MHz效能。在較重視最大操作功耗（fully-active power）的基礎(chǔ)設(shè)施應用里，這種高效能制程的競爭力還勝過低漏電制程，原因有兩點：首先，低漏電運算處理單元的操作頻率只有高效能制程的一半，這表示其數(shù)量必須加倍才能提供同樣效能，但這會導致元件成本提高。其次，由于功耗與電壓平方成正比，故在其他條件相同的情形下，高效能制程的操作功耗只有低漏電制程的（1.2V/1.5V）2或是64％。由于低操作功耗對于基礎(chǔ)設(shè)施應用的重要性通常會超過低漏電功耗，因此高效能制程就成為這類應用的最佳選擇。

電晶體設(shè)計
　　
同樣制程的電晶體也可以有不同的開關(guān)臨界電壓（VT），例如低VT電晶體的切換速度較快，高VT電晶體的漏電流則較小，晶片只需在會影響速度的部份使用低VT電晶體，其它電路則採用高VT電晶體以節(jié)省電力。設(shè)計人員的元件資料庫應包含高VT和低VT電晶體所構(gòu)成的基本邏輯閘（NAND、NOR和INVERT等），他們有時還會使用中間臨界電壓（middle-VT）的電晶體。一般說來，除非為了滿足重要的效能要求，否則應盡量使用高VT電晶體組成的邏輯閘。
　　元件操作點：電壓和頻率
　　數(shù)種元件時脈供應方式可以節(jié)省功耗：
　　●多時脈域（multiple clock domain）；
　　●動態(tài)頻率調(diào)整（dynamic frequency scaling）；
　　●時脈閘控（clock gating）。
　　除了時脈，調(diào)整電壓也能降低功耗：
　　●靜態(tài)電壓調(diào)整；
　　●動態(tài)電壓/頻率調(diào)整；
　　●多電壓域（multiple voltage domain）。

多時脈域
　　
時脈域是元件中使用同一個時脈頻率的部份。將晶片電路分成多個時脈域可以讓每個部份以最適當?shù)乃俣炔僮?，進而節(jié)省電力。例如高效能DSP可能需要以1GHz操作，但連接至立體聲編碼解碼器界面的串列埠卻只需12MHz的速度。雖然多時脈域設(shè)計還需要同步電路和橋接電路讓訊號跨越不同的時脈域，其能大幅降低整體功耗。

頻率調(diào)整
　　
元件的某些時脈域在不同時間可能會有不同的操作需求，例如處理器若在某段時間只有10％的運算需求，那么將時脈頻率減為平常的1/10就能大幅降低時脈功耗。動態(tài)時脈調(diào)整電路的設(shè)計必須非常小心，以確保同步邏輯電路收到穩(wěn)定而不會跳動的最小負載週期時脈。頻率調(diào)整對于使用電池的應用最有幫助。
時脈閘控
　　
時脈閘控會切斷閑置電路的時脈，其中又以睡眠模式的做法最簡單，它讓使用者利用軟體關(guān)掉晶片部份電路。其它技術(shù)則自動將元件某些部份的時脈關(guān)掉，直到有需要時再啟動，例如乙太網(wǎng)路的媒體存取控制器（MAC）平常可處于睡眠模式，等到它偵測到網(wǎng)路后才開始工作。時脈閘控也和頻率調(diào)整一樣適合所有使用電池的應用。

靜態(tài)電壓調(diào)整
　　
若應用的效能需求較低，元件也可在較低電壓下操作。舉例來說，若DSP是在1.2V電壓下以720 MHz速率工作，它也能使用1.1V電壓并以600MHz頻率操作。由于功耗與電壓平方成正比，在1.1V電壓下以600MHz速率操作的功耗只有720MHz功耗的（1.1V/1.2V）2，大約是84％左右。另外，操作功耗也會因為時脈頻率降低而減少兩成。

動態(tài)電壓/頻率調(diào)整
　　
這種技術(shù)讓電壓隨著頻率而減少以進一步節(jié)省功耗。頻率的切換同樣必須非常小心，元件應先將時脈切斷，然后才改變操作電壓。動態(tài)電壓

/頻率調(diào)整技術(shù)非常適合可攜式應用。

電壓域
　　
多域的觀念同樣適用于電壓，設(shè)計人員可以根據(jù)效能需求將晶片分成多個部份，而每個部份使用不同的電壓。由于不同的電壓域必須以隔離電路分開，保護它們不受其它電壓域的損害，因此這種技術(shù)用于設(shè)計時必須相當謹慎。它們還必須提供轉(zhuǎn)換電路，用來轉(zhuǎn)換跨越不同電壓域的訊號。多電壓域需要多組電源，然而晶片內(nèi)建穩(wěn)壓器的效率通常都比不上電路板層級的電源供應器，因此這類設(shè)計多半需要由電路板供應多組電源，這正是多電壓域技術(shù)的缺點之一：因為電路板需要增加多個電源層，使得設(shè)計復雜性大幅提升。

電源閘控（power supply gating）
　　
電源閘控又比時脈閘控技術(shù)更進一步，它會直接切斷晶片閑置電路的電源。由于這種技術(shù)更復雜，又需要隔離電路，因此通常會用于比時脈閘控技術(shù)（以個別電路為單位）還大的范圍（多半以模組為單位）。這種技術(shù)和多電壓域技術(shù)也有所不同，其隔離電路會內(nèi)建于晶片，避免增加電路板設(shè)計的復雜性。

操作點技術(shù)的應用范圍
　　
上述技術(shù)是否有用，端賴使用者是根據(jù)電池壽命或最大功耗來評斷應用系統(tǒng)的優(yōu)劣。某些技術(shù)幾乎對所有應用都有幫助，例如多時脈域和多電壓域技術(shù)只需用到時脈頻率和電壓，所以任何應用系統(tǒng)都可以採用這兩種技術(shù)。域的數(shù)目只會受到這些技術(shù)所帶來的設(shè)計復雜性限制，多電壓域還可能受到電路板復雜性的影響。同樣地，多數(shù)元件的電路并非都是在最大負載條件下操作，因此時脈閘控技術(shù)（尤其採用自動控制方式的技術(shù)）在許多應用都能發(fā)揮作用。靜態(tài)電壓調(diào)整對所有應用都有好處，因為元件只會在提供所需效能的必要電壓下操作。
　　
應用系統(tǒng)若以電池為電源，并提供多種操作模式，那么頻率調(diào)整和動態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)就能發(fā)揮最大作用；另一方面，這些方法對于重視最大功耗的應用卻沒有太大用處。除此之外，電源閘控對于這些類似于基礎(chǔ)設(shè)施的應用可能也沒有幫助，因為這類應用的元件很少會有大片電路處于閑置狀態(tài)。