NB的低功耗电源管理设计挑战

        笔记本电脑应可说是目前众多电子产品中，设计难度属一属二的产品。在要求愈做愈轻薄的条件下，它还必须具备与桌上型计算机相当的功能，有的NB更定位为娱乐用笔电，强调视听表现的能力，其效能等级更是不能等闲视之。

       除了与视听相关的处理器、显示器、绘图卡／芯片、声卡等组件外，包括硬盘、无线调制解调器等组件的功能也在不断提升，如何在满足广泛性高阶应用的同时，仍能让NB的使用寿命保持在可接受的程度，甚至还能延长时间，这就要靠电源管理的技术。

       对于多数的电子设备来说，电源管理皆占有极重要的地位。对于如NB的可携式设备或嵌入式设备来说，电源管理有助于延长电池的使用时间，并能降低热量的产生；对于桌上型计算机或服务器来说，虽然没有电池寿命的限制，但也需降低用电成本，而重要的是避免产生高热及让人难以忍受的风扇噪音。

       低功耗设计原则

       要达到低功耗的电源管理设计，必须从个别组件（甚至是晶体管等级）到整个系统的不同层面都做出完善的考虑，例如从系统层次、架构层次、逻辑层次或电路层次等角度来思考最佳化的电源管理作法，让效能与功耗能做达到最理想的平衡状态。这样看起来，电源管理似乎是一项极为复杂的任务。就策略面来说，确实如此；但若就理论面来看，其实道理是蛮单纯的。以NB来说，它是由CPU、硬盘、内存等单元所组成，整体的功耗来自所有子系统的功耗加总。因此，要降低功耗，必须先从底层的芯片用电来考虑。

       一个半导体芯片的耗电来自于动态功耗（Dynamic Power）和静态功耗（Static Power）两大面向。其中动态功耗来自于讯号切换、运作中的电力消耗，在此过程中负载电容会充放电和电流切换；静态功耗则是当组件处于待机状态时产生的电流泄露功耗，它和使用的工艺、芯片尺寸和晶体管中的电压有密切关系。

       静态功耗主要得靠芯片的工艺与设计技术来克服，例如采用特殊的晶体管类型来降低电路闸功耗。动态功耗则与组件运作的模式有关，其电源消耗的公式如下：

       Pdynamic = Capacitance × Voltage2 × Frequency

       从这个方程式中我们可以看出，动态功耗来自于负载电容充放电和电流的切换，其中电压与功耗是平方关系，对功耗的直接影响最大，也就是说电压愈高，相对的功耗也会以级数上升；高速的频率同样也是提升功耗的杀手。因此降低电压与频率是节省动态功耗的基本策略，电子产业也已对此提出种种的因应措施。图一即显示出因频率改变带来的线性省能效益。

 

       图一：因频率改变而带来的省能效益（LongRun为Transmeta省电技术）。（资料来源：Transmeta）

       ACPI电源管理策略

       在PC/NB的电源管理技术上，最受重视当是先进组态和电源界面（Advanced Configuration and Power Interface；ACPI）规范。它是一项开放性的产业标准，由HP、Intel、Microsoft、Phoenix和Toshiba共同开发，并定义出硬件辨识、主机板和设备组态及电源管理的通用接口。ACPI最早在1996年12月提出，最新的版本是2006年12月提出的3.0b版规范。

       ACPI的核心技术是以操作系统直接进行组态及电源管理（Operating System-based configuration and Power Management；OSPM）。当支持ACPI的操作系统为设备进入初始化后，OSPM会取代既有系统所建置的旧有功能，例如APM BIOS、SMM-base韧体和PNPBIOS等。完成后，OSPM会开始管理主机板上设备的组态事件，以及基于用户的偏好设定、应用功能需求及操作系统的质量保证（QoS）／使用目标等因素来控制系统的电源、效能和散热状态。

       ACPI针对计算机的全区系统状态（Global system states, Gx states）、个别设备的电源状态（device power state）、休眠模式（sleeping mode）、处理器的电源状态及设备和处理器的效能状态都做了多层次的定义，让PC或NB能视不同的使用状态选择适当的电源管理模式。

       以全区系统状态来说，即分为工作状态（G0 working）、睡眠状态（G1 sleeping）、软关机（G2/S5 soft off）、机械性关机（G3 Mechanical off），不同状态下的软件执行需求、回复时间及耗电性等等条件皆有不同，请参考(表一)。此外，ACPI也对个别设备的电源状态做出定义，包括正常运作（D0），两个低功耗模式（D1、D2）及停止运作（D3）四个阶段，请参考（表二）。

 

      处理器的电源状态与设备的模式相似，也分为C0到C3四个阶段。C1到C3为节能模式；在C0的正常运作状态下，还可以分为效能状态（Px）和节流状态（Throtting）两种功耗管理模式，大多数的x86处理器只支持节流状态，但新的CPU已强调支持效能状态了，因此模式能更细腻地依应用需求来安排处理器（或设备）的效能与耗电性。效能状态的层次是由处理器（或设备）业者自行定义，最多可分为16个效能状态。

      ACPI中另一个值得一提的规范，也就是它对休眠模式的定义。ACPI将休眠模式分为从S1到S5的五个等级，随着等级的增加，CPU、系统快取功能、芯片组、系统内存等功能会陆续暂停工作。但S5的软关机（soft off）阶段时，连操作系统都会停止工作，要再回复工作必须重新启动操作系统才行。

       然而，为了让软关机在重新启动后能回复到与使用者原先相同的工作环境，在切掉系统电源前必须将挥发性内存（如RAM）中的内容写入非挥发性的储存单元（如硬盘）中，当重新启动时，再将这些数据载回内存中，以回复到休眠前的状态。不过，执行此模式的前题是系统硬盘要有足够的剩余空间来存放RAM中的数据内容。ACPI的运作架构及改变路径请参考图二、图三。

 

       图二：ACPI/OSPM 全区系统运作架构示意图。（资料来源：ACPI 3.0b白皮书）

       图三：全区系统的电源状态与改变路径。（资料来源：ACPI 3.0b白皮书）

       处理器业者的省电独门技术

       由于ACPI属于通用性的电源管理规范，各家处理器业者为了强调自有产品的省电能力，也各自发表了自己的相关电源管理技术。就笔记本电脑来说，Intel提出了增强型Intel SpeedStep技术（Enhanced Intel SpeedStep Technology, EIST），AMD的是PowerNow!，VIA也有一套 – PowerSaver，Transmeta的则是LongRun/LongRun2。各家提出的相关低功耗管理技术简介如下：

       1. Intel省电平台技术

       EIST是Intel专为笔记本电脑和服务器平台处理器所开发的一项省电技术，新推出的桌上型处理器也开始支持此项技术。EIST能根据不同的系统工作量自动调整处理器的电压及频率，以减少耗电量。由于功耗与热量的产生是一体两面的事，因此当功耗降低，也意味着散热需求减少，就不需要以高速的风扇进行散热，进而也能疏缓风扇的噪音问题。

       除了EIST外，Intel还提出了多项相关的省电技术，例如该公司提出了所谓的分隔总线（Split Busses）技术，用来更有效的利用总线的资源。其出发点是因所有的总线虽然都是128位的宽度，但并非随时都会全部用到，因此Intel让处理器分隔总线的使用，并将用不到的部分关掉，以达到省电效果。

       此外，Intel在系统平台中加入了PSI-2（Power Status Indicator电源状态指示器），它是建置于Core 2处理器上的电源监测线路，可以用来接收监测讯号，并视状况调整电源稳压器的负载，以最有效率的方式来运作；PSI-2控制器会随时注意处理器的功率需求，当需求下降时，它会将部份的电压稳压器关掉，让电源稳压模块一直处于最恰当的工作效率之下。

       2. AMD的节能技术

       AMD的PowerNow!也是针对笔记本电脑和服务器而设计的省电技术（在PC上的省电技术为Cool ''n'' Quiet）。在AMD新的Opterons系列中则采用PowerNow!的另一延伸版本，即最佳化电源管理（Optimized Power Management；OPM）。

       PowerNow!的技术作法与Intel的EIST极为类似，同样会根据工作负荷量来调整CPU的电压与频率。它定义了3种频率／电压运作模式，分别是Normal（最高频率／电压）、Intermediate（中间频率／电压）及Minimum（最小频率／电压），可在1秒钟之内动态切换30次频率及电压，AMD表示此技术能让idle时的CPU功耗降低75%。笔记本电脑需另行安装驱动程序才能启用PowerNow!功能。

       3. VIA的双PLL作法

       VIA在Intel和AMD的夹击下，仍能保有其市场地位，证实了它在技术确实有其独到之处。在笔记本电脑的电源管理技术上，该公司提出CoolStream架构，在此架构下建置了PowerSaver（原名Longhaul）及TwinTurbo两大互补的省电技术。其中PowerSaver技术能进一步降低运作的功耗，让处理器能在最高和最低速度之间依应用需求做弹性的调整。此外，它也能用于实时操作系统（Real-time OS；RTOS）的无缝性（seamless）运作，以满足特定的实时性应用需求。

       TwinTurbo是为新一代移动设备所开发的电源与效能效益技术，它与PowerSaver互补，能高速改变处理器的操作频率。由于计算机的高频频率是由锁相回路（PLL）来产生，过去的处理器中，由PLL产生的频率一旦启用了，就会维持这个频率一直到关闭电源。新的移动处理器整合了让处理器能够改变频率和电压的DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）技术，让它能依前述的效能状态（Px）来调整处理器的效能等级。

       然而，移动处理器的一个重要限制是当效能状态改变时，处理器得跟着改变频率，这时得暂停所有的运作，再解开PLL，将PLL移到新的频率，接着再锁定PLL及回复处理器的运作，这会大幅延迟处理器的工作。

       VIA 的移动处理器（C7-M）采用TwinTurbo技术，它整合了两个PLL，能够有效地改善传统的延迟现象。当处理器改变效能状态，透过VIA的PowerSaver技术，这处理器会先以既有PLL的频率来操作，当第二个PLL调整到所需的频率时，才立即转移到新的运作频率，此转移过程仅需一个频率周期。

       结论：

       很显然地，今日的笔记本电脑所追求的不再是高频率的运算能力，而是要同时兼具效能／功能与低功耗、低噪音和低热量产生的使用经验，而这种平衡的达成与电源管理技术密不可分。ACPI已针对此议题提出了相当完善的操作参考规范，而其中保留了不少的弹性，让处理器、组件设备及计算机系统业者能自行规划出具区隔性的产品。

       要真正达到低功耗的目标，在设计层面上不能仅考虑系统面的电源管理作法，还得往更基础的个别芯片及工艺、封装等层面去进行规划。例如当工艺朝90纳米以上发展时，因电流泄露造成的静态功耗就愈来愈严重。总而言之，低功耗的设计原则，就是尽量将不需要用到电的地方关起来，让它休息，而且在休息时也不会产生电流泄露；但当需要工作时，就要尽快地被唤醒，就好像什么事都没发生一般。 (作者为电子技术专业自由作家，联络方式：ou.owen@gmail.com )
 

本文来源：DIGITIMES    作者：欧敏铨

隐藏原文↑