高性能嵌入式微处理器集群的主动峰值功率管理

摘要

本发明在一些实施例中公开了一种系统，该系统可包括至少一个电压控制器。该电压控制器中的至少一个电压控制器可在使用期间评估预先确定条件的出现。在一些实施例中，该系统可包括至少第一电容器。该至少第一电容器可耦接至电压控制器中的至少一个电压控制器，使得电压控制器中的至少一个电压控制器启用至少第一电容器，以在预先确定条件出现时供应附加电流。当不再需要电流增大时，可停用至少第一电容器。可在停用至少第一电容器时对其进行充电，直至达到预先确定容量。

说明书

技术领域

本发明涉及用于主动峰值功率管理的系统和方法。更具体地，本文中 公开的一些实施例涉及高性能嵌入式微处理器集群的峰值功率管理。

背景技术

手持嵌入式系统的电源通常在成本、形状因数和最高预期性能水平下 的可持续电流之间进行取舍。这允许价格最佳化设计，同时维持系统的日 常性能要求。

然而，一些应用程序和/或特别设计的测试可能能够超过设计极限，并 且需要系统调节微处理器集群的性能以保持在可持续供应包络内。

为了实现有限持续时间和缓冲电流涌入事件的峰值性能，采用芯片封 装和板级电容器。电源调节之前的这些递送峰值电流可满足需求。在每个 峰值性能事件下，电源将这些系统电容器再充电，从而添加至电源的基本 负载。如果电源无法满足该需求，则系统经历电压降。为了避免系统故 障，添加处理器系统的电压和频率的操作裕度(operatingmargin)。

CPU功率要求和电源刚度之间的这种军备竞赛(armsrace)添加了材 料清单而没有对平均系统性能作出贡献。迄今为止，已通过以下操作实现 了在不增加电源能力和系统操作裕度的情况下降低峰值功率：在功率密集 型指令的分派时间进行的预测性功率估计以及基于预测进行的对功率密集 型指令的分派速率的控制；以及在CPU核心供应线路处进行的用于临机操 作(ad-hock)分派速率降低或基于正在进行中的指令的时钟抖动的电压降 传感器使用。此类方法改进了系统，但并不影响主动去耦电容和电源刚度 之间的比率。因此，仍然需要电源及时对所有峰值放电电容进行再充电以 防止显著电压降。

因此，将迫切需要一种包括至少一个功率管理单元的系统和/或一种主 动地缓和峰值功率需求的方法。

发明内容

一般而言，本文中所述的系统和方法的优点包括允许电源刚度的放 宽，但持续使得系统能够提供高功率指令的峰值性能突变。使用本文中所 述的系统，可使用较低成本的电源，而不会损害在峰值功率事件期间的功 能。经常基于功耗病毒(powervirus)诊断对前几代封装级电容器和供应 泵进行尺寸设定和放置，这是一种用于评估峰值功率电容器放置的方法。 由于本文中所述的系统的主动控制因素，与先前实施方式相比，可能不会 增大封装和板级电容的量，但是支持较高峰值性能。

在一些实施例中，一种系统可包括一个或多个电压降控制器(或更简单 地，电压控制器)。该电压控制器可耦接至提供在集成电路的功率输入上的 电容器的子集，并且可检测正导致(或可导致)电源电压降的峰值功率事 件。该电压控制器可启用电容器的子集以在峰值功率事件期间供应附加电 流，该附加电流可增强在峰值功率事件期间的电源电压的稳定性。随后，可 停用子集并且对该子集进行再充电。在一些实施例中，可通过一串电阻来控 制再充电速率，以减小对电源上的电容器进行再充电的负载。还可包括一个 功率管理单元。该功率管理单元可起作用以响应于预先确定条件(包括功率 门控事件、电源接通事件、集成电路中的电路的性能水平变化等)来传输将 在系统内供应的电压改变至新电压水平的请求。在一些实施例中，当需要电 压增大时，启用电容器的子集以便响应于预先确定条件来提供附加能量。

附图说明

以下详细描述参考附图，现简要描述这些附图。

图1描绘了结合高性能嵌入式微处理器集群使用的包括两个电压控制 器的系统的图示的实施例。

图2描绘了使用至少一个电压控制器来管理峰值功率的方法的图示的 实施例。

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在图中以举例的方式示出特定实施例并且将在本文中详细描述这些特 定实施例。然而，应当理解，图示和详细描述并不旨在将权利要求限制于 所公开的特定实施例，甚至在相对于特定特征仅描述单个实施例的情况下 也是如此。相反地，该意图涵盖对于受益于本发明的本领域技术人员而言 将显而易见的所有修改形式、等同形式和替代形式。除非另有陈述，否则 本发明中所提供的特征的实例旨在为说明性的而非限制性的。

本文中所使用的标题仅用于组织目的，并且不意在用于限制该描述的范 围。如贯穿本专利申请所使用的字词“可能”仅在允许意义(即，意味着有 可能)而非强制意义(即，意味着必须)上使用。字词“包括”(“include” “including”和“includes”)指示开放式关系，因此意味着包括但不限于。 类似地，字词“具有”(“have”“having”和“has”)也指示开放式关系， 因此意味着具有但不限于。如本文中使用的术语“第一”、“第二”、“第 三”等用作这些术语之后的名词的标记，并且并不暗含任何类型的排序(例 如，空间、时间、逻辑等)，除非以其它方式明确指示此种排序。例如，除 非以其它方式指定，否则“电连接到模块基板的第三晶粒”并不排除“电连 接到模块基板的第四晶粒”是在第三晶粒之前连接的情况。类似地，“第 二”特征并不需要在“第二”特征之前实施“第一”特征，除非另有说明。

各种部件可被描述为“被配置为”执行一项或多项任务。在这些情况 下，“被配置为”是广泛表述，其通常意味着“具有在操作期间执行一项 或多项任务的结构”。因而，该部件可被配置为执行任务，即使该部件当 前没有执行该任务时也是如此(例如，一组电导电体可被配置为将模块电 连接到另一模块，即使这两个模块未连接时也是如此)。在一些情况下， “被配置为”可为对结构的广泛表述，其通常意味着“具有在操作期间执 行一项或多项任务的电路”。因而，该部件可被配置为执行任务，即使该 部件当前未工作时也是如此。通常，形成与“被配置为”对应的结构的电 路可包括硬件电路。

为了描述的方便，可将各种部件描述为执行一项或多项任务。这种描 述应解释为包括短语“被配置为”。表述被配置为执行一项或多项任务的 部件明确地不旨在援引35U.S.C§112第六段对于该部件的解释。

本发明的范围包括本文中所公开的特征中的任一特征或组合(明显地 或隐含地)，或其任何一般化，而不管其是否缓解本文中所提出的问题中 的任一个问题或全部问题。因此，可在针对特征的任何此类组合贯彻该专 利申请(或向其要求优先权的专利申请)期间制定新的权利要求。具体 地，参考随附权利要求，可将来自从属权利要求的特征与独立权利要求的 特征组合，并且可以任何适当的方式组合而非仅以随附权利要求中所列举 的特定组合的形式来组合来自相应独立权利要求的特征。

具体实施方式

本说明书包括对“一个实施例”(“oneembodiment”或“an embodiment”)的参考。短语“一个实施例”(“oneembodiment”或“an embodiment”)的出现未必是指同一实施例。可与本公开一致的任何合适的 方式来组合特定特征、结构或特性。

在一些实施例中，系统可包括至少一个电压控制器。图1描绘了包括 两个电压控制器150a至150b的系统100(例如，高性能嵌入式微处理器 集群)的图示的实施例。图2描绘了使用至少一个电压控制器150来管理 峰值功率的方法的图示的实施例。电压控制器中的至少一个电压控制器可 在使用期间评估预先确定条件的出现(300)。在一些实施例中，该系统可 包括至少第一电容器120。该至少第一电容器可耦接至电压控制器中的至 少一个电压控制器，使得电压控制器中的至少一个电压控制器启用至少第 一电容器，以在预先确定条件出现时供应附加电流(310)。该电压控制器 可耦接至提供在集成电路的功率输入上的电容器(例如，第一电容器 120)的子集，并且可检测正导致(或可导致)电源电压降的峰值功率事 件。该电压控制器可启用电容器的子集以在峰值功率事件期间供应附加电 流，该附加电流可增强在峰值功率事件期间的电源电压的稳定性。

当不再需要电流增大时，可停用至少第一电容器(320)。可在停用 至少第一电容器时对其进行充电330，直至达到预先确定容量。在一些实 施例中，可通过一串电阻来控制再充电速率，以减小对电源上的电容器进 行再充电的负载。还可包括一个功率管理单元。所述功率管理单元可起作 用以响应于预先确定条件(包括功率门控事件、电源接通事件、集成电路 中的电路的性能水平变化等)来传输将在系统内供应的电压改变至新电压 水平的请求。在一些实施例中，当需要电压增大时，启用电容器的子集以 便响应于该预先确定条件来提供附加能量。

在一些实施例中，电容器120a至120b可耦接至电源开关130a至130b 的单独集合。这些电源开关可将电容器120a至120b分别耦接至CPU140a 至140b。该方法可包括在不再需要电压增大时停用至少第一电容器 (320)。

电源开关120a至120b可形成一个或多个CPU140a至140b的整体功 率门控的一部分，但在一些实施例中，可在CPU超过某个电压降裕度或预 测功率损耗超过给定阈值的情况下启用这些电源开关。某一电压降裕度可 起因于在CPU核心供电线路处进行的用于临机操作分派速率降低或基于正 在进行中的指令的时钟抖动的电压控制器使用。预测功率损耗可起因于在 功率密集型指令的分派时间进行的预测性功率估计和基于预测的对分派速 率的控制。

电容器120a至120b的附加电荷可桥接正在进行中的指令的完成时间， 并且可提供由CPU提供的最大性能窗口的扩展，这取决于电容器尺寸。

在一些实施例中，一种系统可包括评估至少电容器120a至120b的电 压水平的电压控制器150a至150b。功率管理单元110可在电压控制器响 应于预先确定条件来评估不足的电压时通知系统(在一些实施例中，电压 控制器可通知该系统)。在启动峰值功率电容器120a的情况下，电压降控 制器可基于电容器中的可用电荷影响CPU140a指令分派控制，以减少高 功率指令的数量。

在一些实施例中，在停用至少第一电容器时以抑制系统的平均峰值功 率要求增大的速率对其进行充电，直至达到预先确定容量。

在一些实施例中，该方法可包括在停用至少第一电容器时对其进行充 电(330)，直至达到预先确定容量。在一些实施例中，可经由耦接至电源 170的充电电阻器160a至160b来实现对这些峰值功率电容器进行再充 电。电阻器160可限制充电电流，并且在使电源免于额外高电流方面很重 要。可使用本文中所述的系统和方法来减小电源的尺寸，由此降低与装置 关联的尺寸和/或成本。

在一些实施例中，可基于可执行高性能突变的频率与电源可提供的附 加充电电流量的取舍来设定电阻器的尺寸。

在一些实施例中，峰值功率电容器120a至120b此外还包括将CPU 140a至140b耦接至电源170的电容器120e的电容器120c至120d。在一些 实施例中，电容器120c至120d可分别耦接至电源开关130c至130d的单独 集合。这些电源开关可将电容器120c至120d分别耦接至CPU140a至 140b。

在一些实施例中，系统的尺寸可被设定为支持用于时间性能突变的高 功率指令的预定义窗口，同时电压控制器150防止功耗病毒应用程序受到 直接影响，并且保证CPU吞吐量受控地减少。

在一些实施例中，系统可包括数字控件190a至190b，该数字控件在 使用期间评估预先确定条件的出现。该预先确定条件包括传入高功率指 令。在一些实施例中，该数字控件可耦接至电压控件150。

在一些实施例中，一种系统可包括模拟控件180a至180b，该模拟控 件在使用期间评估预先确定条件的出现。该预先确定条件包括电压减小。 在一些实施例中，该模拟控件可耦接至电压控件150。

该电压控件可与数字控件和/或模拟控件进行通信，以协调峰值功率电 容器中的电荷的最佳使用。该电压控件可确保峰值功率电容器在使用后进 行再充电，从而使得该电容器在再次需要附加功率时做好准备。该电压控 件可单独或结合功率管理单元来警告与系统相关联的器具：是可执行还是 不可执行需要来自峰值功率电容器的附加能量的指令，这取决于峰值功率 电容器是否经过适当充电。

应当指出，数字控件和/或模拟控件可基于系统的需求而与系统相关 联。在一些实施例中，可使用数字控件和模拟控件两者。在一些实施例 中，可使用数字控件或模拟控件。

具有较高速度的电路是以不断增加的较高密度来集成。因此，片上电 源-接地电压波动由于IR降、Ldi/dt噪声或LC谐振而显著增大。电源-接 地完整性变为设计未来高性能电路时所面临的严峻挑战。10％供应电压波 动可导致10％以上的时间不确定性。经常引入电路块门控以降低功率，从 而可能导致电流的突变并且导致显著Ldi/dt噪声。电感也将与片上本质的 且未经正确地插入的去耦电容器一起谐振，并且导致LC谐振。大的电流 振荡可导致更多功率消耗和可靠性问题，诸如电转移。

流经导线的电流的突变可由于电感而在该导线及其相邻导线上诱发电 压突变。如果这些导线为片上电源-接地网络的一部分，则所诱发的电压波 动被称为Ldi/dt噪声。在电路中，电流尖峰是由门控切换导致的。

在多处理器系统中，可基于整体电源负载来调整电阻器。例如，一个 或多个功率门控核心可允许桥接电阻器以用于主动CPU，以获取最高峰值 性能。电压控制器150可监控电容器120a的电荷水平，或等待电阻器160 再充电时间的预编程时间常数，直至在电容器120a上达到CPU供应电压 水平。在峰值功率电容器120a经再充电到至少最小的可接受水平时，可增 加高功率指令的分派速率。

在一些实施例中，功率管理单元感测因由电流消耗的变化而导致的振 荡。该功率管理单元可响应于所感测到的振荡来停用至少电容器120a至 120b，因此所感测到的振荡被抑制。立即启动的电源开关的粒度允许对电压 降和峰值功率电容器120a至120b的放电进行细粒度控制，从而允许控制由 于高功率指令导致的di/dt变化产生的晶粒级和封装级供应电路的振荡。这 些振荡以比峰值功率电容器放电短得多的时间尺度出现。足够快速的电压降 感测器调节若干个启用的峰值功率电容器开关，以抑制和/或压制振荡。

一般而言，本文中描述的系统和方法的优点包括允许电源刚度的放 宽，但持续使得系统能够提供高功率指令的峰值性能突变。功率门控方法 是结合功率门电压降控件来进行使用。经常基于功耗病毒诊断来对前几代 封装级电容器和供应泵进行尺寸设定和放置，这是一种用于评估峰值功率 电容器放置的方法。由于系统的主动控制因素，与先前实施方式相比，可 能不会增大封装和板级电容的数量。

根据本说明书，本发明各个方面的其他修改和替代实施例对于本领域 的技术人员而言将是显而易见的。因此，将本说明书理解为仅是示例性的并 且目的在于用于教导本领域的技术人员执行本发明的一般方式。应当理解， 本文所示和所述的本发明的形式将被当做目前优选的实施例。元件与材料可 被本文所示和所述的那些元件与材料所替代，部件和工艺可以是反向的并且 可独立地利用本发明的某些特征，在受益于本发明的本说明书之后，所有这 些对于本领域的技术人员而言都将是显而易见的。可在不脱离以下权利要求 中所描述的本发明的精神和范围的情况下对本文所述的元素作出修改。