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低功耗CPU是怎樣煉成的?

發(fā)布時間:2018-01-30 來源:Franklin Zhao 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】通過簡單地降低電壓或頻率來實現(xiàn)低功耗不可取——試問有誰會去買性能打過折的產(chǎn)品呢?那么,低功耗CPU到底又是怎么實現(xiàn)的?



 
隨著智能手機等移動應(yīng)用的興起,目前的處理器設(shè)計不僅要提供高性能,還必須要符合另一個重要指標(biāo),那就是低功耗。通過簡單地降低電壓或頻率來實現(xiàn)低功耗不可取——試問有誰會去買性能打過折的產(chǎn)品呢?那么,低功耗CPU到底又是怎么實現(xiàn)的?EDN小編今天來和大家理一理,簡單來說,我們可以從微架構(gòu)設(shè)計和制造工藝這兩個方面來看。
 
低功耗設(shè)計的基礎(chǔ):處理器功耗分析的經(jīng)典公式
 
要想實現(xiàn)低功耗,就必須了解電路中功耗的來源[1]。對于CMOS電路功耗主要分為三部分,分別是:電路在對負(fù)載電容充電放電引起的跳變功耗;由CMOS晶體管在跳變過程中,短暫的電源和地導(dǎo)通帶來的短路功耗;以及由漏電流引起的漏電功耗。其中跳變功耗和短路功耗為動態(tài)功耗,漏電功耗為靜態(tài)功耗。以下是SoC(即CPU)功耗分析的經(jīng)典公式:
 
 
其中:ƒ是系統(tǒng)的頻率;A是跳變因子,即整個電路的平均反轉(zhuǎn)比例;C是門電路的總電容;V是供電電壓;τ是電平信號從開始變化到穩(wěn)定的時間。
 
在深亞微米工藝下,電路的功耗主要是跳變功耗,短路功耗和漏電功耗可以忽略不計。但隨著工藝發(fā)展到納米級,漏電功耗在整個功耗中的比例將顯著提高(如下圖所示)。
 

圖:不同工藝下動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗對比圖
 
低功耗的微架構(gòu)設(shè)計
 
基于上面這個功耗分析的公式,我們要設(shè)法降低的主要就是其中的第一項和第三項功耗,即跳變功耗和漏電功耗。我們首先來看微架構(gòu)設(shè)計,基本思路如下圖:
 
 
因此,我們可以衍生出很多的低功耗微架構(gòu)設(shè)計方法。里面比較重要的一些如下[1][2]:
 
•時鐘門控:給每個模塊的時鐘加上門控,不需要時將它關(guān)閉,從而盡可能降低功耗。
 
•電源門控:原理同上,盡可能降低動態(tài)功耗和漏電功耗。
 
 
•異步電路:對于異步電路,大家第一反應(yīng)好像可以提高系統(tǒng)處理速度。但是因為異步電路需要進(jìn)行多次握手,處理速度未必比時序電路快多少。異步電路的另一個重要作用就是降低功耗,超過一半的功耗都是消耗在時鐘樹及其連接的觸發(fā)器上,采用異步電路能取消時鐘,從而消除時鐘樹而降低功耗。
 
•并行技術(shù):并行技術(shù)是將一條數(shù)據(jù)通路的工作分解到兩條通路上完成。并行結(jié)構(gòu)可以在不降低計算速度的前提下,將工作頻率降低為原來的一般,同時電源電壓也可降低,可以明顯的降低功耗。但這種結(jié)構(gòu)是以犧牲面積為代價的。
 
•流水線技術(shù):采用流水線技術(shù),在較長的運算路徑分成多個較短的運算。這樣工作頻率雖然沒有改變,但每一級運算的路徑卻變短了,是電源電壓可以降低,所以流水線技術(shù)也可以降低功耗。

•降低頻率:利用并行處理增加電路來降頻,犧牲面積來降低功耗。
 
•降低電壓:電壓受頻率影響,可以通過降低頻率來降低所需電壓。當(dāng)頻率降低,電路開關(guān)速度降低,就能有更多時間去進(jìn)行充電,因此所需充電電壓就能降低(電壓越大充電速度越快)。同時,可通過流水線分割組合邏輯。若同時保持頻率不變,電路能有更多時間去進(jìn)行充電,從而降低所需充電電壓。
 
•動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS):動態(tài)調(diào)整頻率電壓到需要的值,避免浪費,從而降低功耗。
 
•全局異步局部同步(GALS):將系統(tǒng)劃分成不同的時鐘域,每個域使用合適的時鐘頻率,避免頻率浪費,同時提高系統(tǒng)速度,也方便進(jìn)行時鐘門控。
 
•編碼優(yōu)化:SoC內(nèi)部的總線的電容在對于整個芯片還是占有很大比重,所以降低不同數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)換時的總線平均翻轉(zhuǎn)次數(shù),就可以降低設(shè)計的功耗,這也是各種那個編碼優(yōu)化所要達(dá)到的目的。常用的編碼方式有獨熱碼(One-Hot)、格雷碼,還有一些更加復(fù)雜的低功耗編碼,如窄總線編碼、部分總線反轉(zhuǎn)編碼和自適應(yīng)編碼等。使用編碼優(yōu)化來降低芯片功耗的同時要注意由它帶來的面積增加的問題。
 
•多電壓域多電源(Multi-Voltage/Multi-Supply):需要高性能的部件供給高電壓,不需要高性能的部件供給低電壓)。
 
•系統(tǒng)設(shè)計時考慮優(yōu)化,如減少電路開關(guān),用RAM代替寄存器文件,減少存儲器讀寫。
 
除了上述這些方法,高效的低功耗技術(shù)還有許多,比如襯底反偏(加反向電壓降低襯底漏電),多閾值單元(Multi-Vth cell)等等設(shè)計方法。下圖是一些比較熱門的RTL級低功耗技術(shù)。
 
 
此外,對于CPU而言,PPA(性能、功耗和面積)也總是在互相權(quán)衡的。通過增加CPU內(nèi)核數(shù)和采用ARM的big.LITTLE架構(gòu)等,也是近年來常用的低功耗設(shè)計方法。
 
 
先進(jìn)的低功耗制造工藝
 
芯片的制造工藝在不斷向前發(fā)展。一個常識是,工藝越先進(jìn)(納米數(shù)越低),功耗和性能都會提升。但是其原因又是為何?此外,F(xiàn)inFET工藝又是什么,為什么會更進(jìn)一步實現(xiàn)二者的提升?這要從晶體管說起了:
 
 
這里,我們盡量把事情說簡單。上面這副示意圖中就是一個典型的半導(dǎo)體晶體管。其中兩個綠色的部分(源極Source和漏極Drain)分別是晶體管的兩級,類似電池的兩級。紅色的部分就是用來控制這兩個電極的通斷的,而通斷分別對應(yīng)數(shù)字化時間的1和0。所謂數(shù)字化世界其實也就是非常非常多的晶體管的通斷變化組合出來的。紅色柵極(Gate)的寬度就是我們通常所說的溝槽寬度或者線寬——我們通常說的多少多少nm就是指的這個寬度。
 
這個柵極的寬窄決定了性能和功耗。晶體管的開關(guān)速度(每次0/1變化)對應(yīng)處理器的運算速度。紅色的柵極越寬,兩個綠色電極就越遠(yuǎn),導(dǎo)致它們直接連通一次的時間就越長。所以柵極越小,晶體管一次狀態(tài)變化所需的時間就越短,單位時間的工作次數(shù)就越多。這樣一堆晶體管單位時間可做的運算自然就更多,所以性能更好。
 
再來看功耗。柵極是通過加電壓幫助兩個綠色電極通電的。而柵極越寬,就需要更高的電壓才能導(dǎo)通兩極;柵極越窄,導(dǎo)通就更容易,所需的電壓也就越低。功耗的大小與電壓的平方成正比,所以導(dǎo)通電壓的下降是新工藝能夠降低功耗的主要因素。還有一個因素,即便是電壓相同,通過導(dǎo)體的面積和長度越小,電流也會越小。更小的柵極等于是縮小的導(dǎo)體,因此也會減少功耗。
 
那么,F(xiàn)inFET又是什么?
 
 
如前面所說,柵極越窄,即納米數(shù)越低,功耗和性能都有明顯收益。但是凡事都有兩面,有收益就會有代價。上圖左圖(即前面那張圖的結(jié)構(gòu))中的紅色柵極越窄,則柵極接觸下面的面積就越小。前面說了,綠色源漏(SD)兩極的通斷是靠柵極通電壓控制的,但是面積越小這個柵極的控制力越弱,這就會導(dǎo)致出現(xiàn)兩極之間的漏電越來越大。這個問題在20nm時達(dá)到了一個很大的值,對功耗影響很大。所以早在10年前,就有人提出了右圖中的3D晶體管的新結(jié)構(gòu)。由于這個結(jié)構(gòu)看上去像張開的魚鰭,所以被叫做FinFET技術(shù)。FinFET技術(shù)最主要的好處是紅色的柵極變成三面環(huán)繞綠色SD兩極之間的通道了,這樣?xùn)艠O就又重新具備了對這個通道的強力控制力,原先通過減小柵極寬度的方法就可以繼續(xù)了。有人可能會有疑問,十年前就提出為什么現(xiàn)在才用,其實概念到實施不是那么容易的。大家腦補一下這個結(jié)構(gòu)是在20nm的范圍里做的,導(dǎo)致工藝要多出十幾二十層來,這不僅是難度,也是成本。






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