Ericsson Power Modules Mikroprozessoren adaptiv versorgen

Trotz kleinerer Halbleitergeometrie und sinkender Versorgungsspannung steigt die Stromaufnahme der Prozessoren stetig. Ein Verfahren namens »Adaptive Voltage Scaling« kann dabei helfen, den Stromverbrauch eines jeden ICs auf jeder Leiterplatte und damit auch des gesamten Systems zu minimieren.

Üblicherweise steuert man den Stromverbrauch eines Prozessors, indem man je nach erforderlicher Rechenleistung dessen Taktfrequenz und Versorgungsspannung hebt oder senkt. Dies optimiert äußerst effizient den Leistungs- und Stromverbrauch, da die Verlustleistung proportional zum Quadrat der Versorgungsspannung ist (P = U²/R). Ist der Bedarf an Rechenleistung niedrig, kann die Taktfrequenz des Mikroprozessors verringert werden, und wenn die Taktfrequenz geringer ist, kann auch die Versorgungsspannung niedriger sein. Diese Technik nennt sich dynamische Spannungsskalierung (DVS, Dynamic Voltage Scaling) und wird mit einer offenen Regelschleife implementiert, wobei vorbestimmte Kombinationen aus Frequenz und Versorgungsspannung in einer Tabelle gespeichert sind.

Im Vergleich zu einer festen Spannungsversorgung ist DVS wesentlich effizienter und spart mehr Energie ein, nutzt aber nicht das gesamte Potenzial der Spannungsskalierung. Zu den Nachteilen von DVS zählen die erforderlichen Spannungsmargen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten und das statische sowie dynamische Regelfenster der Stromversorgung zu berücksichtigen. Auch Schwankungen beim Halbleiterprozess und der Betrieb bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen lassen sich mit DVS nicht so leicht kompensieren. Adaptive Spannungsskalierung (AVS, Adaptive Voltage Scaling) beseitigt diese Nachteile durch einen Echtzeitansatz mit geschlossenem Regelkreis.

Dabei passt die Regelung die Versorgungsspannung genau an die erforderliche Mindestspannung für die gegenwärtige Taktfrequenz und Arbeitslast des einzelnen Prozessors. Schwankungen beim Halbleiterprozess und bei der Temperatur im Prozessor lassen sich ebenfalls automatisch kompensieren. Moderne, hochleistungsfähige Mikroprozessoren ändern ihre Arbeitslast und Betriebsbedingungen innerhalb von Nanosekunden – eine Echtzeitreglung der Versorgungsspannung stellt daher hohe Anforderungen an die Bandbreite des Regelkreises und erfordert eine genaue Überwachung der Performance der Rechnerhardware in der Rückkopplungsschleife. Mit den neuesten AVS-Controllern ist dies nun möglich, da sie spezielles IP (Intellectual Property) und Hardware enthalten.