ARM的未來低功耗系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展之路

每一名系統(tǒng)設(shè)計人員都理解功耗和性能的相對關(guān)系：您的應(yīng)用需要的計算性能越高，設(shè)計的功耗也就越高。但是，新一類應(yīng)用對這一規(guī)則發(fā)出了挑戰(zhàn)。智能電話設(shè)計人員希望同時實現(xiàn)PC級峰值應(yīng)用速率以及更長的電池使用壽命。嵌入式系統(tǒng)規(guī)劃采用智能傳感器以滿足嚴格的數(shù)據(jù)分析要求，安全的連接互聯(lián)網(wǎng)，但是要求最大限度的降低功耗。在傳統(tǒng)的思路中，這些明顯是無法實現(xiàn)的。但是，ARM工程師在6月份設(shè)計自動化大會(DAC)上的發(fā)言表明，CPU知識產(chǎn)權(quán)(IP)帶頭企業(yè)的發(fā)展方向卻是將這些不可能變?yōu)榭赡堋?/P>

當(dāng)然，ARM從開始出現(xiàn)便一直專用于低功耗計算。在其DAC主題發(fā)言中，ARM創(chuàng)始人之一Mike Muller從小劍橋計算機業(yè)余愛好供應(yīng)商Acorn Computer公司一個芯片設(shè)計人員小組在1980年早期提出的問題開始，追溯了體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：他們能使用RISC原理來開發(fā)16位微處理器，其性能超越個人計算機中的傳統(tǒng)芯片嗎?這一問題的答案是Acorn RISC機——ARM今后發(fā)展壯大的萌芽。

Acorn公司最初的成功源自高效的使用邏輯門和寄存器，主要是在簡潔的RISC體系結(jié)構(gòu)的支撐下實現(xiàn)的。盡量減少每一操作所需的邏輯轉(zhuǎn)換數(shù)也一直是ARM套件的關(guān)鍵工具。但是，隨著公司在研發(fā)預(yù)算上的增長，以及公司影響的擴大，ARM設(shè)計人員開始在降低每一操作所需的功耗上尋求更好的工藝和電路技術(shù)。異步設(shè)計、低功耗工藝技術(shù)、精細粒度時鐘選通、電源選通以及動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)等都成為工具套件的一部分。

Muller說，今天，ARM增加了新工具：超精細粒度電源選通，例如，以非常低的電壓進行工作等。但是，完全不同的發(fā)展方向?qū)a(chǎn)生完全不同的技術(shù)：異構(gòu)多核計算和虛擬化的概念——這是來自服務(wù)器領(lǐng)域的理念。

擴展低端

在評估功耗和性能的一張圖(圖1)上，不同的技術(shù)擴展了這張圖中不同位置的曲線。進一步使曲線向高性能方向擴展的技術(shù)包括，深度流水線、高時鐘頻率以及多核簇等。這些方法完全不同于功耗管理技術(shù)，功耗管理技術(shù)將整條曲線向低功耗方向下拉。兩者都具有的不同之處是新出現(xiàn)的一類技術(shù)，使曲線向下向左：超低功耗，低速計算。

Muller說，這是長壽命電池和低功耗的范圍。這里的問題是，怎樣以很低的能量來完成少量的計算。今天，異步CPU毫無爭議的占據(jù)了這一領(lǐng)域的制高點。只有當(dāng)信號出現(xiàn)變化時才消耗動態(tài)功耗——而不是在每一次時鐘轉(zhuǎn)換時，因此，如果異步電路能夠克服其開銷邏輯的能耗成本，它將大幅度降低動態(tài)功耗。

但是，在高級工藝節(jié)點，特別是在較低時鐘頻率時，靜態(tài)功耗會大于動態(tài)功耗。因此，Muller關(guān)注的重點不是動態(tài)功耗，而是泄漏問題。

在高級工藝節(jié)點唯一降低泄漏真正有效的手段是降低工作電壓。Muller指出，問題是，當(dāng)我們減小了器件尺寸后，很難調(diào)整晶體管閾值電壓Vt。我們目前所處的情景是，無法再進一步調(diào)整Vt以減小供電電壓，晶體管不能工作在傳統(tǒng)的飽和模式下。取決于所采用的傳統(tǒng)CMOS電路，一旦退出飽和模式后，會產(chǎn)生很強的源極漏極電流，還會進行快速開關(guān)。

Muller解釋說，但這并不意味著一點辦法都沒有。我們還是能夠減小工作電壓VDD，使電流足夠快，直至系統(tǒng)滿足性能要求。只要不太靠近Vt，我們可以采用的技術(shù)是DVFS。而Muller則闡述了更激進的一些想法。

第一個是關(guān)斷所有電源，把泄漏降到零。很顯然，粗粒度電源選通是有效的方法——例如，沒有使用的模塊。Muller指出，消耗很大的電能來迅速執(zhí)行一項任務(wù)，然后關(guān)斷電源，這樣做通常可以節(jié)省能量。但還有更有趣的想法。

非常慢的運行