對(duì)于消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，響應(yīng)時(shí)間、顯示分辨率和電池壽命是最重要的特性。電池的生命周期與其容量、功率峰值和使用情況成正比。由于成本、空間和可靠性方面的考慮，電池尺寸不能隨意增加。半導(dǎo)體功率損耗取決于電容、線負(fù)載、柵極、電源電壓、信號(hào)轉(zhuǎn)換和泄漏電流。系統(tǒng)電源以顯示器、觸摸電容、處理器和內(nèi)存為中心。處理器和單板計(jì)算機(jī)、電子控制單元 （ECU） 和高性能計(jì)算等處理系統(tǒng)的延遲、吞吐量和熱設(shè)計(jì)功率 （TDP） 是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。降低功耗時(shí)首先想到的算法是電源門(mén)控，當(dāng)沒(méi)有任務(wù)執(zhí)行時(shí)關(guān)閉設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。由于對(duì)安全、時(shí)間期限和實(shí)施成本的影響，建議比部署更容易。

對(duì)于任何新系統(tǒng)，電源狀態(tài)的數(shù)量、并發(fā)線程操作、轉(zhuǎn)換時(shí)間和切換都需要在最終確定規(guī)范之前進(jìn)行詳細(xì)的電源評(píng)估。此外，規(guī)范必須在性能、功率、功能和有時(shí)可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡。當(dāng)今系統(tǒng)上的處理選項(xiàng)、接口容量、應(yīng)用變化、顯示系統(tǒng)和其他 MEMS/機(jī)械系統(tǒng)使得使用 Excel 等分析方法預(yù)測(cè)功耗變得非常困難。功率測(cè)量需要結(jié)合資源和周期精確模型來(lái)做出具有極高發(fā)生概率的預(yù)測(cè)。

使用來(lái)自 Mirabilis Design 的VisualSim等軟件包的系統(tǒng)級(jí)建模，或 C++ 中的事務(wù)模型，長(zhǎng)期以來(lái)一直用于探索電子和半導(dǎo)體的性能。VisualSim 等圖形建模環(huán)境允許對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行交互式評(píng)估，而編程語(yǔ)言則提供更大的開(kāi)放性。這些模型將定義資源、硬件、調(diào)度程序、流量、用例和網(wǎng)絡(luò)。硬件平臺(tái)的周期精確定義不是設(shè)計(jì)過(guò)程早期的主要考慮因素，認(rèn)為可以隨著評(píng)估范圍的縮小添加它以回答特定問(wèn)題，例如周期性刷新對(duì) 1X 或 1X 時(shí)功耗的影響2X。在這個(gè)時(shí)序模型中，VisualSim 添加了功率探索，從而提供完整的系統(tǒng)分析解決方案。

VisualSim 是一種基于模型的系統(tǒng)仿真軟件，它使用基于組件的建模方法加速開(kāi)發(fā)并提供大量報(bào)告。該系統(tǒng)可以是處理器、片上系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)、飛行航空電子設(shè)備或冒險(xiǎn)相機(jī)。建模組件可以是資源、FPGA、分立組件、電氣系統(tǒng)、MEMS、處理器、基于分布的流量生成器、硬件外圍設(shè)備和軟件任務(wù)圖。資源是消耗時(shí)間或數(shù)量的子系統(tǒng)。資源的示例可以是萬(wàn)向節(jié)電機(jī)或加速度計(jì)。

要將功耗分析納入系統(tǒng)級(jí)仿真，系統(tǒng)模型必須包含每個(gè)設(shè)備的每個(gè)狀態(tài)的功耗。功率數(shù)可以是電壓、面積、開(kāi)關(guān)、泄漏和 LDO 效率的值或組合。電源狀態(tài)值的示例如表 1 所示。

該模型必須包含轉(zhuǎn)換的影響，并隨著用例和設(shè)備上執(zhí)行的流量的變化而動(dòng)態(tài)地從一種狀態(tài)移動(dòng)到另一種狀態(tài)。對(duì)新?tīng)顟B(tài)的更改可以是開(kāi)始新的執(zhí)行，在一段時(shí)間不活動(dòng)后進(jìn)入深度睡眠，執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)與高優(yōu)先級(jí)的用例以及特定條件，例如內(nèi)存激活和刷新。功率表達(dá)式值必須隨時(shí)鐘速度和溫度等時(shí)序?qū)傩远兓?/p>

功率分析從一個(gè)表格開(kāi)始，該表格描述了狀態(tài)和狀態(tài)機(jī)處理管理中的功率表達(dá)式。模擬器或 VisualSim 事件日歷必須支持基于時(shí)間的功率測(cè)量、每個(gè)資源和設(shè)備隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)狀態(tài)變化，以及基于應(yīng)用程序和用戶(hù)活動(dòng)的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。電源管理器將包含帶有變量的復(fù)雜表達(dá)式，以定義每個(gè)狀態(tài)下的電源。這些表達(dá)式可以包含泄漏、面積、電壓水平和應(yīng)用任務(wù)之間的差異。這些變量可以包括時(shí)鐘速度、啟用的開(kāi)關(guān)數(shù)量和捕獲線長(zhǎng)度的抽象——延遲和泄漏。蒙特卡羅模擬可以捕捉抖動(dòng)、隨時(shí)間的變化、用例、軟件配置文件和流量分布。

有功功率表是架構(gòu)探索的重要參與者，負(fù)責(zé)收集、向電池提供輸入并處理電池的充電需求。生成的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)包括組件的能耗、系統(tǒng)的累積功率、瞬時(shí)負(fù)載、平均負(fù)載和每個(gè)組件的狀態(tài)消耗時(shí)間線。

系統(tǒng)級(jí)功耗探索可以評(píng)估各種降低功耗和低功耗技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和節(jié)省的能量。在這里，我們討論這些技術(shù)并使用 VisualSim 中的仿真模型解釋它們的影響。出于本研究的目的，我們使用四核處理器、調(diào)度程序代替實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、四個(gè)并發(fā)線程和按順序觸發(fā)處理資源上的線程的中斷。我們已將模型參數(shù)化為內(nèi)核的可變時(shí)鐘速度、1 到 4 之間的可變內(nèi)核數(shù)量以及線程觸發(fā)之間的偏移。此外，我們還結(jié)合了電壓和時(shí)鐘速度動(dòng)態(tài)變化的邏輯。與此描述相關(guān)的框圖如圖 1 所示。

圖 1：多核架構(gòu)和四個(gè)并發(fā)線程的系統(tǒng)級(jí)框圖

進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)，我們查看了每個(gè)場(chǎng)景的延遲和功耗。

偏移并發(fā)任務(wù)：有四個(gè)任務(wù)，默認(rèn)情況下這些任務(wù)同時(shí)觸發(fā)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們將每個(gè)任務(wù)移動(dòng)了 3.5 毫秒。這樣，任務(wù)就不會(huì)同時(shí)開(kāi)始。正如我們從圖 2 中看到的結(jié)果，這種方法降低了功率尖峰。最大峰值從 1.0mW 到 7.5mW，節(jié)省 25%。從圖 3 來(lái)看，延遲確實(shí)從 7 毫秒減少到 0.5 毫秒，這是一個(gè)顯著的改進(jìn)。從圖 2 和表 2 中有趣的推斷是，所有四個(gè)內(nèi)核都不再使用，并且在處理資源的任務(wù)請(qǐng)求中只是偶爾重疊。對(duì)平均功耗沒(méi)有影響。

比較以 1GHz 運(yùn)行的單核與以 250MHz 運(yùn)行的 4 核：在本實(shí)驗(yàn)中，我們將所有任務(wù)定位在以 1GHz 速度運(yùn)行的單核上。我們使用線程的偏移量。圖 2 的結(jié)果顯示瞬時(shí)功率和平均功率均顯著降低。從圖 3 中我們可以看到延遲圖沒(méi)有顯著影響。您可以看到峰值功率與 1.0mW 的非偏移值相同，但平均功率減半至 0.15mW。這是因?yàn)樘幚硭俣扔邢喈?dāng)大的浪費(fèi)。

圖 2：LHS 顯示了一段時(shí)間內(nèi)的平均功率。RHS 顯示隨時(shí)間變化的即時(shí)功率。

圖 3：隨時(shí)間變化的延遲。

表 2. 上述實(shí)驗(yàn)的累積和平均功率

任務(wù)中一個(gè)有偏移的核心的累積和平均功耗小于有和沒(méi)有偏移的四個(gè)核心。

動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放 （DVFS）：這是節(jié)省電力的首選技術(shù)，可根據(jù)任務(wù)要求改變時(shí)鐘速度。一個(gè)很好的例子是 x86 處理器，它的額定頻率為 3.2GHz，但在筆記本電腦上以 1.8GHz 運(yùn)行。使用原型板，當(dāng)電壓頻繁調(diào)整時(shí)，很難預(yù)測(cè)任務(wù)的延遲。在相關(guān)模型中，我們沒(méi)有實(shí)現(xiàn)特定的算法，而是看到在很寬的時(shí)鐘速度范圍內(nèi)功率和延遲的變化。結(jié)果如圖 4 所示。我們?cè)谶@次運(yùn)行中使用了四個(gè)內(nèi)核和四個(gè)偏移線程。請(qǐng)注意，功率和延遲會(huì)因時(shí)鐘速度的變化而波動(dòng)。延遲保持與原始偏移版本相同。DVFS 幫助我們大規(guī)模降低功耗。

圖 4：具有四個(gè)并發(fā)線程和每個(gè)內(nèi)核中不均勻時(shí)隙任務(wù)的四核的動(dòng)態(tài)電壓頻率縮放中的功率、延遲和利用率變化

從圖 4 中我們可以看到，對(duì)于較高延遲的任務(wù)（功率圖中的黑框），瞬時(shí)功率較小，反之亦然。這說(shuō)明了 DVFS 的功能，其中時(shí)鐘速度對(duì)于小型處理任務(wù)會(huì)降低，這反過(guò)來(lái)會(huì)增加延遲并降低功耗。

圖 5：通過(guò)實(shí)施電源管理降低平均功率

在特定時(shí)間段后強(qiáng)制內(nèi)核進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)將降低功耗。從圖 5 中我們可以看到實(shí)施電源管理后功率有所降低。

擴(kuò)展 DVFS 示例，可以修改每個(gè)任務(wù)的開(kāi)始和頻率。分析生成的統(tǒng)計(jì)信息，我們可以看到正在使用的內(nèi)核數(shù)量減少了（core_3），從而消除了額外的待機(jī)功耗并降低了功耗。如您所見(jiàn)，同時(shí)探索電源選項(xiàng)和軟件調(diào)度非常重要。這將確保所需的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)降低功耗。

電源門(mén)控：這是在一段時(shí)間不活動(dòng)后將處理單元移動(dòng)到較低功率狀態(tài)的過(guò)程。一個(gè)常見(jiàn)的例子是筆記本電腦從活動(dòng)到待機(jī)再到睡眠和休眠。在這個(gè)模型中，我們將電源門(mén)控狀態(tài)機(jī)邏輯添加到電源表中。我們將空閑狀態(tài)的延遲設(shè)置為 10us，將轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置為 1us。設(shè)備在待機(jī)狀態(tài)下停留的時(shí)間較短。從圖 5 中我們可以看到，只要內(nèi)核處于非活動(dòng)狀態(tài)，內(nèi)核就會(huì)將其狀態(tài)從待機(jī)更改為空閑。過(guò)渡時(shí)間對(duì)延遲的影響最小到零。

圖 6：電源門(mén)控，其中內(nèi)核在 0.1ms 不活動(dòng)時(shí)從待機(jī)移動(dòng)到空閑，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1.0us

結(jié)論：

系統(tǒng)級(jí)仿真可用于半導(dǎo)體和系統(tǒng)級(jí)的廣泛功率分析。將功率探索與性能研究結(jié)合使用可確保同時(shí)進(jìn)行權(quán)衡，從而確保更高質(zhì)量的產(chǎn)品。許多功率研究可以在產(chǎn)品實(shí)施之前在系統(tǒng)級(jí)完成，并消除集成過(guò)程中的所有意外。這項(xiàng)研究的另一個(gè)好處是熱和機(jī)械工程師獲得了完全驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，而不是近似的最佳判斷信息。將性能和功耗分析集成到單個(gè)系統(tǒng)級(jí)模型中的 VisualSim 等軟件工具有助于更快地構(gòu)建模型，使用較少的模型集減少模型維護(hù)，并在設(shè)計(jì)周期的早期進(jìn)行更高質(zhì)量的探索。

審核編輯：郭婷