Startseite > Power > Spannungswandler > Mikroprozessoren adaptiv versorgen

Ericsson Power Modules

Mikroprozessoren adaptiv versorgen

21. Oktober 2014, 9:54 Uhr | Patrick Le Fèvre

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Umsetzung von Adaptive-Voltage-Scaling

Die Unterschiede beim Energieverbrauch zwischen fester Versorgungsspannung, DVS und AVS sind in Bild 1 dargestellt. Zu beachten ist, dass ein Absenken der Frequenz allein den Energieverbrauch nicht beeinflusst. Zwar nimmt der durchschnittliche Leistungsverbrauch ab, aber eine niedrigere Taktfrequenz bedeutet auch, dass die Ausführung einer bestimmten Aufgabe proportional länger dauert. Halbiert sich die Frequenz zum Beispiel, braucht der Prozessor doppelt so lang für die Aufgabe. Um wirklich Energie einzusparen, muss also die Versorgungsspannung verringert werden.

Die Rückkopplungsschleife ist auf den Stromversorgungen auf der Leiterplatte (Board Mounted Power Supply, BMPS) implementiert und überwacht die Rechenleistung auf dem Prozessor. Dabei eliminiert die Regelung jede überschüssige Spannungsmarge, die im Rahmen des DVS noch vorhanden sein könnte. Da die Spannung direkt auf dem
Chip gemessen wird, bietet die Schleife auch eine Fernsensorfunktion für die Rückkopplung des Spannungsreglers. Dadurch werden auch Spannungsfehler beseitigt, die durch Spannungsunterschiede im Masse-Layer zwischen der Stromversorgung und dem Mikroprozessor entstehen. Die Versorgungsspannung verringert sich weiter, da die statische und dynamische Ausgangsungenauigkeit des DC/DC-Wandlers automatisch in die Rückkopplungsschleife mit einfließen.

Umsetzung von AVS

Zusammengenommen minimiert dies die Versorgungsspannung des Chips, was zu erheblichen Energieeinsparungen im Prozessor führt, denn Leistung und Energieverbrauch sind wie eingangs erwähnt proportional zum Quadrat der Spannung. Eine interessante und wichtige Funktion der AVS ist neben der Optimierung des Energiemanagements auch das Senken der Halbleiter-Sperrschichttemperatur, was wiederum die Rechenleistung erhöht.

Adaptive Spannungsskalierung wird auf Leiterplattenebene umgesetzt und umfasst Komponenten im Mikroprozessor und in dem ihn versorgenden Gleichspannungswandler, die beide jeweils AVS-konform sein müssen – einschließlich der erforderlichen Funktionsblöcke oder Schnittstellen. Die Rückkopplungsschleife wird über einen Mikrocontroller (MCU) auf dem Prozessorchip gesteuert, der über ein Befehlsprotokoll mit dem Steuerschaltkreis der Stromversorgung kommuniziert. Zusammen mit dem DC/DC-Wandler enthält die MCU das erforderliche IP und die Hardware, um die Spannung automatisch an die benötigte Taktfrequenz und Rechenleistung anzupassen. Damit wird die Integration in ein System recht einfach.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Bild 2 zeigt eine AVS-Regelschleife mit den verschiedenen Funktionsblöcken. Der APC (Advanced Power Controller), lizenziert von National Semiconductor (heute Texas Instruments), enthält einen Hardware-Performance-Monitor (HPM), der die AVS-Schleifenregelung und die Befehle zur Spannungsskalierung bereitstellt, die an den Slave-Power-Controller (SPC) in der Energy-Management-Unit (EMU) gesendet werden. Der Gleichspannungswandler regelt dann die
Versorgungsspannung. Die »Power-Wise«-Schnittstelle (PWI) ist eine 2-drahtige serielle Schnittstelle nach offenem Standard [2]. Sie stellt die erforderlichen Befehlsprotokolle für das AVS bereit. Der Advanced-Power-Controller behandelt alle Aspekte der Spannungsregelung und kann die Spannung aktiv skalieren, um den Leistungs- und Energieverbrauch des Mikroprozessors zu minimieren.