三种调整处理器系统功耗的方法分享

　　随着新型处理器的执行效率飞速提高，其对计算能力的 追求有时超过了冷却系统的能力。而且， 机械 和散热设 计通常是最后完成的研发步骤。因此，在设计的过程中可能在最后阶段才发现超过了散热系统的限制。设计师 通常需优化系统并找到可接受的折中方案。
　　
　　Te led yne e2v作为高可靠性微处理器的领导者，多年来 一直致力于提高超越标准性能指标的定制处理器的核心竞争力，使系统设计师能够增加系统安全的余量，并优 化SWaP （尺寸，重量和功耗）。
　　本文将介绍Teledyne e2v为系统设计师提供的定制方 案，以调整高可靠性处理器系统的功耗。
　　在大多数情况下，选择一种或多种定制的方案可大大提 高设计的价值。这里将讨论以下三种方案：
　　1. 优化功耗。包括根据客户的应用需求选择合适的处理 器，并优先选择低功耗的器件。
　　2. 优化封装的热阻。在大多数情况下也可以 保护电路 和 裸片。
　　3. 提高最大节温（TJ）。这需要额外 测试 器件在高温下的工 作情况和使用寿命。重点是如何量化这些测试，因为升 高的温度会影响器件的失效率。
　　Teledyne e2v的高可靠性微处理器在国防、宇航等 高可靠性领域已服务了几十年的时间。今天，现代处 理器的发展主要依靠诸如 无人驾驶 等未来的新市场推 动。因此，像 NXP 这样的大供应商对高可靠性产品的 供应链有深远的影响。许多应用对这些产品并没有很 严格的可靠性要求。
　　同时，SWaP（尺寸，重量和功耗）对于航空、国防甚至 宇航等严苛环境的应用非常重要。本文将重点介绍如何 选择用于这些应用的处理器。毕竟，处理器是系统中的 重要器件，会产生系统中大部分的功耗（SWaP中的 P）。另外，散热系统需要使用散热器，影响系统的尺 寸和重量（SWaP中的S和W）。

　　处理器功耗的背景知识
　　每一代处理器的功耗需求都在逐步增加。研究特定器 件的电参数是一件复杂的工作，尤其对于准备解决系统 级设计问题的设计师。
　　表1是从四核 ARM Cortex A72 64位Laye rs cape处理器 LS1046的数据手册里摘录的，包含2种处理器 时钟 频率 （1.6和1.8GHz）和3种节温（标称值65， 85和105℃） 时的功耗。另外，图中还标出了三种不同的功耗模式： 典型、散热和最大。可以看出，在不同的工作环境，器 件的功耗可能会相差一倍。这说明散热管理是处理器的 重要设计指标。
　　通常情况下，厂商制定的器件标准规格会包含一些余 量，以兼容不同批次的差异。例如，如果某个客户的应 用必须用到最高的节温，看了表1他可能会得出这款处 理器虽然功能强大但功耗太大的结论，从而不选用这款 器件。实际上，我们后面会看到，采取一些措施可以减 少器件的功耗至理想的范围。
　　表 1： NXP LS1046 处理器的功耗
　　

　　三种解决方法
　　方法1： 优化功耗
　　这包括评估一系列目标器件，并对它们做相关测试， 分析功耗的分布。最终的目的是为某一个特定的应用筛 选出功耗最佳的器件。
　　如果器件的使用情况被明确定义，功率筛选可以使处 理器满足其使用的要求。但是，这需要非常精确地了解 器件如何在特定的应用中工作。对此，并没有快速的解 决方案，人们只能使用功率筛选得出尽可能详细的分析 结果。在某个特定的项目中，Teledyne e2v通过结合客 户应用的要求和功耗筛选，成功将图1中器件在最坏情 况下的功耗降低了46%。
　　这样，起初由于功耗太大而被认为不适合这个任务的器 件，现在可以被用户充满信心地设计到系统中。
　　
　　图1： T1042处理器最坏情况下的功耗 vs.客户 目标应用中的功耗
　　这并不是一件容易实现的事情。我们需要了解处理器 的功耗包含下面两个要素：
　　• 静态功耗——IC的所有内部外设所需的功耗，与器件性 能和运行的代码无关。
　　• 动态功耗——计算能力所需的功耗。对于多核处理器， 对于不同的瞬时计算负载，这个功耗可能有很大差异。
　　Teledyne e2v对功耗的独特见解
　　经过和NXP（之前是Freescale）几十年的合作，Teledyne e2v建立了高性能处理器的专业知识体系，并可获得和原 始 制造 商相同的工具、产品测试向量和测试程序。这使 得Teledyne e2v可通过筛选和测试的方式提供定制的功 耗优化方案。 Teledyne e2v对处理器参数测试表明当代处理器有以 下几点常见特性：
　　• 不同的器件的静态功耗差异显著。
　　• 在低温环境静态功耗可能接近0，但在125℃时可能占总 功耗的40%甚至更多（参见图2）。
　　• 动态功耗由用户的使用情况决定。不同器件、不同温 度和不同的批次对其影响不大。

　　处理器功耗和环境温度的关系
　　图2表示对于一款真实的处理器节温和静态功耗的典型 关系曲线。随着节温（Tj）的升高，功耗非线性增加。 在这个例子里，随着温度从45℃上升到125℃（标称最 大值），静态功耗增加了3倍，从4W升高到14W。因此， 降低功耗的方法之一是通过加强的散热系统降低节温。
　　
　　图2： 静态功耗和节温的典型关系
　　这个曲线也表明，无法同时改善处理器SWaP的所有 要素。如果想优化功耗，则必须降低节温，而使用散 热器，则会增加设备的尺寸和重量。
　　因此，虽然SWaP是一个核心的设计要素，但通常需要 作出下面的妥协：
　　• 降低功耗 • 或减少散热系统以减少尺寸和重量
　　Teledyne e2v可提供优化功耗的处理器器件
　　Teledyne e2v从NXP获取原始测试向量、等效测试工具 和测试技术，并研发新的处理器性能优化技术，以提供 定制功耗的产品。另外，Teledyne e2v可对特定的用户 应用做深入的功耗分析，找出特别的动态功耗需求。