《低功耗方法学》翻译——第四章：功率门控概述

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第四章：功率门控概述

漏电功耗随着CMOS工艺技术的迭代而不断增加。这种泄漏功率不仅是对电池供电或便携式产品的严重挑战，而且越来越成为必须在服务器、路由器和机顶盒等系留设备中解决的问题。

为了减少芯片的整体泄漏功率，我们非常希望引入一些机制来关闭未被使用的模块。这种技术被称为功率（或电源）门控。

第二节从RTL设计的角度描述了电源门控。本章节提供了对电源门控的概述。下面的章节将继续介绍如何在RTL级别上实现电源门控，在SALT芯片上使用的电源门控策略，以及电源门控的架构含义。我们关注的重点是RTL设计者如何以尽可能独立于技术和便携式的方式设计实现电源门控。

4.1 动态功率和泄露功率简述

功率门控的基本策略是提供两个功率模式：低功率模式和正常工作模式。我们的目标是在合适的时间以一种合适的方式切换这些模式，以最大程度节省功率并且最小化对性能的影响。

第二章所述降功率的方法不影响设计的功能性不需要修改RTL代码。从设计、实现和角度来看，可以相当透明地处理它们；功率门控比时钟门控更具侵入性，因为它影响块间接口通信，并为了确保功率门控模式进出的安全性增加了对应的逻辑，这将显著增加时间延迟。

作为设备驱动程序或操作系统空闲任务的一部分，控制软件可以明确地调度关闭逻辑块的电源。或者，它可以在硬件中由定时器或系统级电源管理控制器启动。在任何情况下，我们都面临着以下两者之间的体系结构权衡

• 可能的泄漏功率节省量；
• 节能模式的进入和退出带来的不利影响；
• 进入和离开这种节能模式所消耗的能量；
• 活动概况（睡眠或活动时间的比例和频率）。

首先，我们介绍几个进入和退出功率模式的几个术语：

睡眠（SLEEP）事件使芯片进入低功率模式

苏醒（WAKE）事件使芯片返回活跃（active）模式

图4-1所示示例，显示了使用时钟门控来降低功率的子系统的活动概况。

图4-2显示了实施基本功率门控的相同子系统的示例活动概况。唤醒事件和时钟运行之间的响应时间可能很长，在系统设计级别上不能忽略： 

图4-3显示漏电功率的节省不是完美的和瞬时的；全漏电功率节能需要一些时间才能达到目标水平。这部分是由于前一活动的(较热的)热分布，部分是由于功率门控技术的非理想性。因此，可实现的节能在一定程度上受到影响：

4.2 功率门控对各类子系统的影响

缓存的CPU子系统通常可以长期处于休眠状态或不活动状态，这使电源门控具有吸引力。但我们必须考虑到一些权衡因素：

• 对整个CPU实施电源门控可以非常好地降低泄漏功率。
• 但是对中断的唤醒时间响应具有重大的系统级别设计含义（甚至可能需要更深的FIFO或预先安排时隙）。
• 如果每次CPU断电时缓存内容都丢失，那么在通电时，可能需要在总线活跃上花费大量的时间和能量重新填充缓存。
• 净能量节省取决于睡眠/觉醒活动概况，即当电源门控时节省的能量与在重新加载状态下消耗的能量。

外设子系统可能比CPU有更好的定义配置文件。它控制着一个可分析的设备驱动程序和一个可优化的操作系统电源管理方案。但仍有一些权衡因素。特别是，可能有必要在唤醒时快速恢复状态，以最大化节省电力：

• 设备驱动程序可能需要作为睡眠/唤醒序列的一部分，显式地加载/恢复关键状态或启动硬件排序器控制，但这给软件带来了巨大的负担。
• 一种更好的方法可能是在睡眠模式下在内部存储关键状态，但这需要特殊的电路和额外的控制。

最后，考虑一个更复杂的多处理器CPU集群，其中一个或多个处理器可能完全关闭。在这种情况下，我们假设处理器只有在完成任务并且空闲、等待分配其他任务时才会断电。在这种情况下：

• 电源门控单个cpu提供了非常好的泄漏功率降低。
• 因为CPU已经完成了它的任务，所以本地缓存内容在它被电源门控时丢失并不是一个问题。CPU被唤醒干净，重新执行和缓存它的下一个任务。
• 优化的节能可能需要自适应关机算法，该算法可以改变不同工作量的CPU内核、功率门控和CPU内核的活动数量。

在所有这些情况下，电源门控可以在设计中显著减少泄漏。

4.3 功率门控设计原则

电源门控包括选择性地关闭芯片中的某些块，同时保持其他块通电。电源门控的目标是通过暂时关闭电源到当前操作模式下不需要的模块，来减少泄漏。

电源门控控制的最基本形式，以及长期泄漏功率最低的形式，是外部开关电源。考虑一下这个例子：一个片上的CPU有一个专用的片外电源；也就是说，该电源只为CPU提供电源。然后，我们可以关闭这个电源，CPU内的泄漏基本减少为零。然而，这种方法也需要最长的时间，并且需要最大的能量来恢复一个门控块的电源。

内部电源门控，其中内部开关是用来控制所选模块的电源，当对块短时间断电时，可以是一个更好的解决方案。

图4-4显示了使用内部电源门控的SoC的简化视图。

与总是通电的块不同，电源门控块通过电源交换网络接收电源。此网络将VDD或Vss切换到电源门控块。在本例中，Vpp被切换；Vss直接提供给整个芯片。开关切换结构通常由分布在电源门控块周围或内部的大量CMOS开关组成。

电源门控控制器控制为门控块提供电源的CMOS开关。

电源门控设计面临的一个挑战是，电源门控块的输出可能会非常缓慢地下降。结果可能是这些输出在阈值电压下花费了相当长的时间，导致在一直上电的块中产生较大的直通电流。

为了防止这些短路直通电流，隔离单元（图中的“Isol”块）放置在电源门控块的输出和一直通电模块的输入之间。这些隔离单元的设计的目的是，当其中一个输入处于阈值时，只要控制输入关闭，它们就不会经历直通电流。电源门控控制器提供此隔离控制信号。

对于某些电源门控块，非常希望在断电时保持该块的内部状态，并在通电时恢复此状态。这种保留策略可以在通电期间节省大量的时间和电力。实现这种保留策略的一种方法是使用保留寄存器来代替普通的触发器。

保留寄存器通常有一个辅助寄存器或影子寄存器，它比主寄存器慢，但泄漏电流要少得多。影子寄存器总是通电，并在电源门控期间存储主寄存器的内容。需要告诉这些保留寄存器何时将主寄存器的当前内容存储到影子寄存器中，以及何时将该值恢复到主寄存器中。该控制装置由电源门控控制器提供。

4.3.1 电源切换——细粒度 VS 粗粒度

电源门控的一个关键决定是如何切换电源。一般来说，有两种方法：细粒功率门和粗粒功率门。

在细粒功率门控中，开关被局部放置在该库中的每个标准单元内。由于这个开关必须提供电池所需的最坏情况下的电流，因此相尺寸变得很大，为了不影响性能。每个单元的开销面积是显著的（通常是原始单元大小的2倍-4倍）。图4-5显示了一个细粒与门的例子。

细颗粒功率门控的关键优点是，开关的压降（IR drop，表示电阻上的压降）时间影响和钳位的行为很容易被描述，因为它们包含在单元内。这意味着仍然可以使用传统的设计流来部署细粒度功率门控。

在粗粒功率门控中，一块门的电源由一个开关单元集合切换（图4-4）。粗粒度开关网络的大小估计比细粒度开关更困难，因为其所供电的逻辑块的确切开关活动是不知道的，而且只能被估计。但粗粒门控设计的面积损失明显小于细粒设计。

在过去的几年中，使用粗粒度电源门控的趋势越来越强，选择粗粒度电源门控作为首选的方法。细粒度功率门控的面积惩罚不值得在设计工作中节省。今天，几乎所有的电源网关设计都使用粗粒度的电源门控。出于这个原因，我们在本书的其余部分中只关注粗粒度功率门控。(唯一的例外是器件库的那一章，我们将对细粒和粗粒的权衡进行更详细的分析。）

任何电源门控设计的关键挑战之一都是管理电源重新连接时的瞬时电流。必须仔细控制这个瞬时电流，以避免电网中阻抗电压下降过大；否则，随着电源门控块的睡眠/唤醒序列，通电模块的功能和状态可能会被破坏。 

4.3.2 功率门控的挑战

功率门控的实现对于设计者来说存在几个主要挑战：

• 电源切换网络的设计；
• 电源门控控制器的设计；
• 保留寄存器和隔离单元的选择和使用；
• 最小化功率门控在时序和面积上的影响；
• 时钟和复位的功能控制；
• 接口隔离；
• 为实现和分析制定合理的约束；
• 为支持的每一种电源状态执行状态依存型验证；
• 执行电源状态切换验证以确保所有合法的状态进出被仿真和验证；
• 研究一种制造和产品测试的策略

后续章节会对这些话题进行讨论。

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至此，第四章翻译结束~