微處理器系統(tǒng)中的熱管理是確保工作流程高效執(zhí)行的重要因素。Teledyne e2v 展示了如何通過優(yōu)化處理器的硬件和軟件級別來降低能耗。在接受 embedded.com 采訪時，數(shù)據(jù)處理解決方案應(yīng)用工程師 Thomas Porchez 強調(diào)了與特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)表上的值相比，該技術(shù)如何將能耗降低 46%。

在設(shè)計流程結(jié)束時，工程師通常會遇到能源管理挑戰(zhàn)，而小尺寸為散熱器或風扇留下的空間很小。這會導(dǎo)致性能下降。

通過對整個系統(tǒng)行為的深入分析，可以定義最佳方法來克服維持有限功率預(yù)算和節(jié)省空間措施的潛在挑戰(zhàn)。這可以通過查看處理器 CPU 負載數(shù)據(jù)、核心頻率和結(jié)溫來完成。Teledyne e2v 能夠提供一種優(yōu)化處理器的方法，同時節(jié)省能源并最大限度地減少熱量產(chǎn)生。

靜態(tài)和動態(tài)功耗

高處理頻率對整個計算機系統(tǒng)的能量消耗施加了嚴格的限制。因此，應(yīng)始終將每個設(shè)備的能耗降至最低。功率計算不僅決定了電源的大小，還決定了最大的運行可靠性。

處理器的能耗通常分為靜態(tài)能耗和動態(tài)能耗。靜態(tài)功耗對應(yīng)于流經(jīng)器件的漏電流，并隨溫度線性變化。邏輯門的總漏電流包括兩個主要部分：亞閾值和門漏電流。亞閾值漏電流在 CMOS 數(shù)字電路中是顯著的，它隨著閾值電壓的降低呈指數(shù)增長。

“靜態(tài)能耗的有趣之處在于它不能通過路徑重復(fù)，即您可以選擇降低能耗的路徑，”Porchez 說。

另一端的動態(tài)功耗或多或少與結(jié)溫無關(guān)，但取決于 CPU 負載、CPU 的平臺和頻率以及使用的外圍設(shè)備。這意味著動態(tài)功耗取決于應(yīng)用。

動態(tài)功耗是通過考慮兩個因素的總和來計算的：開關(guān)功率和短路功率。當對內(nèi)部電容和網(wǎng)絡(luò)電容進行充電或放電時，會消耗開關(guān)功率。短路功率是柵極切換狀態(tài)時電源電壓和地之間的瞬時短路連接所消耗的功率。

圖 1：溫度對功耗的影響

Teledyne 解決方案

實際演示使用兩臺由 Teledyne e2v 合作伙伴設(shè)計的單板計算機進行。每臺單板計算機上都放置了一個四核架構(gòu)的 T1042 處理器，最高可運行 1.5 GHz。

一個處理器運行提供 100% CPU 負載的應(yīng)用程序。另一個是 Teledyne 優(yōu)化的處理器，運行相同的應(yīng)用程序并提供 50% 的 CPU 負載。紅外熱像儀同時分析這兩個過程。攝像頭圖像顯示在屏幕上（圖 2）。

圖 2：降低熱負載的演示：左側(cè)為標準處理器的電路板，右側(cè)為 Teledyne 優(yōu)化處理器的電路板

“查看左側(cè)處理器，我們發(fā)現(xiàn)散熱器的溫度約為 71 度，右側(cè)處理器的溫度約為 59 度。所以大約相差12度。在端子上，我們看到兩種工藝的結(jié)溫仍然存在巨大差異，”Porchez 說。

他補充說：“如果我們詳細查看能源消耗過程，這很有趣，我們會發(fā)現(xiàn)這兩個過程之間的差異在 1.5 到 2 瓦之間，這是一個巨大的差異。

Teledyne e2v 指出，該案例研究可以使 T1042 的功耗降低 46%，這與閱讀 T1042 規(guī)范所期望的結(jié)果相比。

圖 3：總功耗降低

“在與客戶的深入討論中，我們得出結(jié)論，他們的應(yīng)用不需要處理器的最大功能。客戶實際上擔心數(shù)據(jù)表中的功率數(shù)據(jù)（在高計算場景中列出的值），因此我們幫助他們縮小了實際功率估算范圍。在此之后，我們能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為靜態(tài)功耗限制，并同意交付符合此要求的部件，”Porchez 說。

功耗是集成電路面臨的主要挑戰(zhàn)之一。動態(tài)功率在 CMOS 電路中占主導(dǎo)地位。動態(tài)耗散是由于電流短路和負載容量充電和放電引起的開關(guān)活動的結(jié)果。

更低的功耗（除了更高的帶寬）將是下一代處理器的主要因素。更高速度的全球趨勢需要新的解決方案來優(yōu)化能源管理。一種旨在降低動態(tài)功耗的技術(shù)涉及動態(tài)調(diào)整 CPU 中的電壓和頻率。這種操作稱為動態(tài)電壓和頻率縮放 （DVFS）。它受益于 CPU 具有離散的頻率和電壓設(shè)置這一事實。Porchez 強調(diào)，這種方法為設(shè)計人員提供了在應(yīng)用程序中安裝更大處理器的機會，他們最初認為由于功率限制，這是不可能的。這使他們能夠在系統(tǒng)中獲得更大的計算能力余量，以適應(yīng)未來的用例演變。

審核編輯：郭婷