DVFS(dynamic voltage and frequency scaling)动态电压频率调节

DVFS解析

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DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)动态电压频率调节,是一种实时的电压和频率调节技术。在 CMOS 电路中功率消耗主要可以分为动态功率消耗和静态功率消耗,公式如下:
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其中 C 代表负载电容的容值,V 是工作电压,α 是当前频率下的翻转率,f为工作频率,I_dq 代表静态电流。
公式的前部分代表的是动态功率消耗,后部分则代表的是静态功率消耗。从公式中可以看出,想要降低动态功率消耗可以从C、V、α、f着手,对于软件来讲常用的调节方式只涉及到V、f 两个因素。

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DVFS及多核处理器功耗优化技术详解

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概念

DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)动态电压频率调节本质上是一种低功耗技术,目的是根据的芯片当时的实际功耗需要设定工作电压和时钟频率,这样可以保证提供的功率既满足要求又不会性能过剩,从而可以降低功耗。

DVFS技术利用了CMOS芯片的特性:CMOS芯片的能量消耗正比于电压的平方和时钟频率。DVFS技术是以延长任务执行时间为代价来达到减少系统能量消耗的目的,体现了功耗与性能之间的权衡。可以通过减少时钟频率来降低通用处理器功耗的。然而,仅仅降低时钟频率并不节约能量,因为性能的降低会带来任务执行时间的增加。调节电压需要以相同的比例调节频率以满足信号传播延迟要求。然而不管是电压调节还是频率调节,都会造成系统性能的损失,并增加系统的响应延迟。
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式中C 代表负载电容的容值,V 是工作电压,A 是当前频率下电路的平均翻转率,f 为工作频率,IShort 和ILeakage 分别为短路电流和漏电流。从公式中可知,C、V 、A、f 决定了整个CMOS 电路的功耗,而DVFS 技术就是主要通过改变频率f 和电压V 的值来调节系统功耗的。

为了尽量减少可感知的系统性能负面影响同时又能最大程度地降低系统能耗,策略必须估计未来的工作负载并选择最合适的频率。准确地预测未来的工作负载对广泛使用的策略是至关重要的。预测错误可能会导致设置的频率太高降低节省能耗,或设置频率过低造成系统响应延迟过高。所以,要想降低功耗,需要选择合适的供电电压和时钟频率。

调节顺序

所以安全的调节机制是:
当需要提升功率时,应先提升供电电压,然后提升时钟频率。
当需要降低功率时,应先降低时钟频率,再降低供电电压。

DVFS调节策略

制定调整策略前,需要先找出系统中的耗电大的部件,如CPU、GPU、DSP等硬件算法加速模块(结合逻辑规模);然后统计出这些模块的负载情况,基本的策略当然是工作负载增加则升频升压,工作负载降低则降频降压。工作负载的粗略模型是在一个时间窗口内,统计模块工作的时间长度,设定不同阈值,高阈值对应高电压高频率,低阈值对应低电压低频率。每次统计值穿过阈值边界,触发DVFS转换。

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