你可能已經(jīng)在智能手機(jī)上播放過(guò)數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)視頻了。但是你有沒(méi)有想過(guò),當(dāng)你按下“播放”鍵時(shí)會(huì)發(fā)生什么?
你一碰到那個(gè)小三角形,許多事情就同時(shí)發(fā)生了。在幾微秒內(nèi),手機(jī)處理器上的空閑計(jì)算核心就開(kāi)始活躍起來(lái)。當(dāng)他們這樣做時(shí),其電壓和時(shí)鐘頻率會(huì)迅速上升,以確保視頻解壓縮和顯示不會(huì)延遲。同時(shí),在后臺(tái)運(yùn)行任務(wù)的其他內(nèi)核也會(huì)減速。電荷涌進(jìn)有源磁芯的數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管中,而在新閑置的晶體管中,電荷則逐漸變慢。
這種被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放(dynamic voltage and frequency scaling,DVFS)的“動(dòng)作”不斷地發(fā)生在處理器(稱(chēng)為片上系統(tǒng)(SoC))中,它運(yùn)行著你的手機(jī)和筆記本電腦以及支持它們的服務(wù)器。
這一切都是為了平衡計(jì)算性能和功耗,這對(duì)智能手機(jī)來(lái)說(shuō)尤其具有挑戰(zhàn)性。盡管有電流浪涌,協(xié)調(diào)DVF的電路仍努力確保穩(wěn)定的時(shí)鐘和堅(jiān)如磐石的電壓水平 —— 但這部分也是設(shè)計(jì)中最累人的。
這主要是因?yàn)闀r(shí)鐘生成和電壓調(diào)節(jié)電路是模擬的,這與智能手機(jī)SoC上的幾乎所有其他電路不同。由于半導(dǎo)體制造業(yè)的進(jìn)步,我們已經(jīng)習(xí)慣于近一年一次的新處理器的更新 —— 新處理器的計(jì)算能力大大提高。
將一個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)從一個(gè)舊的半導(dǎo)體工藝移植到一個(gè)新的工藝上絕非易事,但與嘗試將模擬電路轉(zhuǎn)移到一個(gè)新工藝相比,這算不了什么。支持DVFS的模擬組件,特別是一種稱(chēng)為低壓差穩(wěn)壓器(low-dropout voltage regulator,LDO)的電路,不像數(shù)字電路那樣會(huì)縮小規(guī)模,基本上每新一代都必須從頭開(kāi)始重新設(shè)計(jì)。
如果我們可以用數(shù)字元件代替LDO或其他模擬電路,那么它們的移植難度將大大低于處理器的任何其他部分,從而節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)成本,并幫助工程師能夠解決尖端芯片設(shè)計(jì)所面臨的其他問(wèn)題。
此外,由此產(chǎn)生的數(shù)字LDO可能比模擬LDO小得多,并且在某些方面性能更好。在過(guò)去的幾年里,工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究小組已經(jīng)測(cè)試了至少12種設(shè)計(jì),盡管存在一些缺點(diǎn),但一種商業(yè)上有用的數(shù)字LDO可能很快就會(huì)實(shí)現(xiàn)。
低壓差電壓調(diào)節(jié)器(LDO)允許同一輸入電壓軌(VIN)上的多個(gè)處理器內(nèi)核根據(jù)其工作負(fù)載在不同的電壓下工作。在這種情況下,Core 1具有最高的性能要求。它的頭部開(kāi)關(guān),實(shí)際上是一組并聯(lián)的晶體管,是閉合的,繞過(guò)LDO并直接將Core 1連接到VIN,VIN由外部電源管理IC提供。但是,Cores 2到4的工作負(fù)載要求較低。他們的LDO被用于為磁芯提供電壓,以節(jié)省電力。
基本模擬低壓差穩(wěn)壓器[左]通過(guò)反饋回路控制電壓。它試圖通過(guò)控制通過(guò)功率PFET的電流,使輸出電壓(VDD)等于參考電壓。在基本數(shù)字設(shè)計(jì)中[右],一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘觸發(fā)一個(gè)比較器[三角形],該比較器將參考電壓與VDD進(jìn)行比較。結(jié)果告訴控制邏輯需要激活多少功率PFET。
智能手機(jī)典型的片上系統(tǒng)是集成的奇跡。在一塊硅片上,它集成了多個(gè)CPU核、圖形處理單元、數(shù)字信號(hào)處理器、神經(jīng)處理單元、圖像信號(hào)處理器以及調(diào)制解調(diào)器和其他專(zhuān)用邏輯塊。
當(dāng)然,提高驅(qū)動(dòng)這些邏輯塊的時(shí)鐘頻率會(huì)提高它們完成工作的速率。但要以更高的頻率工作,它們還需要更高的電壓。沒(méi)有這一點(diǎn),晶體管就無(wú)法在處理器時(shí)鐘的下一個(gè)滴答聲之前打開(kāi)或關(guān)閉。
當(dāng)然,更高的頻率和電壓是以功耗為代價(jià)的。因此,這些核心和邏輯單元?jiǎng)討B(tài)地改變它們的時(shí)鐘頻率和電源電壓,通常在0.95到0.45伏之間——根據(jù)它們?cè)诜峙浣o它們的任何工作負(fù)載中所需的能量效率和性能平衡,拍攝視頻、播放音樂(lè)文件、在通話(huà)中傳輸語(yǔ)音等等。
通常,外部電源管理IC為手機(jī)SoC生成多個(gè)輸入電壓(VIN)值。這些電壓沿著稱(chēng)為軌道的寬互連線(xiàn)傳輸?shù)絊oC芯片的各個(gè)區(qū)域。但是,電源管理芯片和SoC之間的連接數(shù)量是有限的。因此,SoC上的多個(gè)核必須共享同一VIN軌。
但由于低壓差穩(wěn)壓器,它們不必都獲得相同的電壓。LDO和專(zhuān)用時(shí)鐘發(fā)生器允許共享軌道上的每個(gè)磁芯以獨(dú)特的電源電壓和時(shí)鐘頻率運(yùn)行。需要最高電源電壓的磁芯決定共享VIN值。電源管理芯片將VIN設(shè)置為該值,該核心通過(guò)稱(chēng)為頭開(kāi)關(guān)的晶體管完全繞過(guò)LDO。
為了將功耗保持在最低限度,其他內(nèi)核可以在較低的電源電壓下工作。軟件決定了這個(gè)電壓應(yīng)該是多少,模擬LDO在提供這個(gè)電壓方面做得很好。它們結(jié)構(gòu)緊湊,制造成本低,集成在芯片上相對(duì)簡(jiǎn)單,因?yàn)樗鼈儾恍枰蟮?u style="color: rgb(51, 51, 51) !important;">電感器或電容器。
但這些LDO只能在特定的電壓窗口中工作。On the high end,目標(biāo)電壓必須低于VIN和LDO本身壓降之間的差值(同名“壓降”電壓)。例如,如果堆芯最有效的電源電壓為0.85 V,但VIN為0.95 V,LDO的漏失電壓為0.15 V,則該堆芯無(wú)法使用LDO達(dá)到0.85 V,必須在0.95 V下工作,從而浪費(fèi)一些電源。類(lèi)似地,如果VIN已設(shè)置為低于某個(gè)電壓限制,LDO的模擬組件將無(wú)法正常工作,電路也無(wú)法接合以進(jìn)一步降低堆芯電源電壓。
迄今為止,限制數(shù)字LDO使用的主要障礙是緩慢的瞬態(tài)響應(yīng)。
但是,如果所需電壓落在LDO窗口內(nèi),軟件將啟用電路并激活等于目標(biāo)電源電壓的參考電壓。
LDO如何提供正確的電壓?