ARM的未來(lái)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展之路

每一名系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都理解功耗和性能的相對(duì)關(guān)系：您的應(yīng)用需要的計(jì)算性能越高，設(shè)計(jì)的功耗也就越高。但是，新一類(lèi)應(yīng)用對(duì)這一規(guī)則發(fā)出了挑戰(zhàn)。智能電話設(shè)計(jì)人員希望同時(shí)實(shí)現(xiàn)PC級(jí)峰值應(yīng)用速率以及更長(zhǎng)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(yán)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但是，ARM工程師在6月份設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)(DAC)上的發(fā)言表明，CPU知識(shí)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(kāi)始出現(xiàn)便一直專(zhuān)用于低功耗計(jì)算。在其DAC主題發(fā)言中，ARM創(chuàng)始人之一Mike Muller從小劍橋計(jì)算機(jī)業(yè)余愛(ài)好供應(yīng)商Acorn Computer公司一個(gè)芯片設(shè)計(jì)人員小組在1980年早期提出的問(wèn)題開(kāi)始，追溯了體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：他們能使用RISC原理來(lái)開(kāi)發(fā)16位微處理器，其性能超越個(gè)人計(jì)算機(jī)中的傳統(tǒng)芯片嗎?這一問(wèn)題的答案是Acorn RISC機(jī)——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(mén)和寄存器，主要是在簡(jiǎn)潔的RISC體系結(jié)構(gòu)的支撐下實(shí)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(zhǎng)，以及公司影響的擴(kuò)大，ARM設(shè)計(jì)人員開(kāi)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(jì)、低功耗工藝技術(shù)、精細(xì)粒度時(shí)鐘選通、電源選通以及動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)等都成為工具套件的一部分。

Muller說(shuō)，今天，ARM增加了新工具：超精細(xì)粒度電源選通，例如，以非常低的電壓進(jìn)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(jì)算和虛擬化的概念——這是來(lái)自服務(wù)器領(lǐng)域的理念。

擴(kuò)展低端

在評(píng)估功耗和性能的一張圖(圖1)上，不同的技術(shù)擴(kuò)展了這張圖中不同位置的曲線。進(jìn)一步使曲線向高性能方向擴(kuò)展的技術(shù)包括，深度流水線、高時(shí)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(lèi)技術(shù)，使曲線向下向左：超低功耗，低速計(jì)算。

Muller說(shuō)，這是長(zhǎng)壽命電池和低功耗的范圍。這里的問(wèn)題是，怎樣以很低的能量來(lái)完成少量的計(jì)算。今天，異步CPU毫無(wú)爭(zhēng)議的占據(jù)了這一領(lǐng)域的制高點(diǎn)。只有當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)變化時(shí)才消耗動(dòng)態(tài)功耗——而不是在每一次時(shí)鐘轉(zhuǎn)換時(shí)，因此，如果異步電路能夠克服其開(kāi)銷(xiāo)邏輯的能耗成本，它將大幅度降低動(dòng)態(tài)功耗。

但是，在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)，特別是在較低時(shí)鐘頻率時(shí)，靜態(tài)功耗會(huì)大于動(dòng)態(tài)功耗。因此，Muller關(guān)注的重點(diǎn)不是動(dòng)態(tài)功耗，而是泄漏問(wèn)題。

在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)唯一降低泄漏真正有效的手段是降低工作電壓。Muller指出，問(wèn)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(wú)法再進(jìn)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(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的源極漏極電流，還會(huì)進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)。

Muller解釋說(shuō)，但這并不意味著一點(diǎn)辦法都沒(méi)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(jìn)的一些想法。

第一個(gè)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(méi)有使用的模塊。Muller指出，消耗很大的電能來(lái)迅速執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，然后關(guān)斷電源，這樣做通?？梢怨?jié)省能量。但還有更有趣的想法。

非常慢的運(yùn)行