SOGO論壇
  登入   註冊   找回密碼
查看: 55707|回覆: 2

[教學] NB的低功耗電源管理設計挑戰 [複製連結]

論壇顧問

Q^心靈導師^Q

Rank: 14Rank: 14Rank: 14Rank: 14

顧問勳章 原創及親傳圖影片高手勳章 布布達人勳章

狀態︰ 離線
發表於 2007-3-28 10:40:09 |顯示全部樓層

筆記型電腦應可說是目前眾多電子產品中,設計難度屬一屬二的產品。在要求愈做愈輕薄的條件下,它還必須具備與桌上型電腦相當的功能,有的NB更定位為娛樂用筆電,強調視聽表現的能力,其效能等級更是不能等閒視之。除了與視聽相關的處理器、顯示器、繪圖卡�晶片、音效卡等元件外,包括硬碟、無線數據機等元件的功能也在不斷提升,如何在滿足廣泛性高階應用的同時,仍能讓NB的使用壽命保持在可接受的程度,甚至還能延長時間,這就要靠電源管理的技術。

對於多數的電子設備來說,電源管理皆佔有極重要的地位。對於如NB的可攜式設備或嵌入式設備來說,電源管理有助於延長電池的使用時間,並能降低熱量的產生;對於桌上型電腦或伺服器來說,雖然沒有電池壽命的限制,但也需降低用電成本,而重要的是避免產生高熱及讓人難以忍受的風扇噪音。

低功耗設計原則

要達到低功耗的電源管理設計,必須從個別元件(甚至是電晶體等級)到整個系統的不同層面都做出完善的考量,例如從系統層次、架構層次、邏輯層次或電路層次等角度來思考最佳化的電源管理作法,讓效能與功耗能做達到最理想的平衡狀態。這樣看起來,電源管理似乎是一項極為複雜的任務。就策略面來說,確實如此;但若就理論面來看,其實道理是蠻單純的。以NB來說,它是由CPU、硬碟、記憶體等單元所組成,整體的功耗來自所有子系統的功耗加總。因此,要降低功耗,必須先從底層的晶片用電來考量。

一個半導體晶片的耗電來自於動態功耗(Dynamic Power)和靜態功耗(Static Power)兩大面向。其中動態功耗來自於訊號切換、運作中的電力消耗,在此過程中負載電容會充放電和電流切換;靜態功耗則是當元件處於待機狀態時產生的電流洩露功耗,它和使用的製程、晶片尺寸和電晶體中的電壓有密切關係。

靜態功耗主要得靠晶片的製程與設計技術來克服,例如採用特殊的電晶體類型來降低電路閘功耗。動態功耗則與元件運作的模式有關,其電源消耗的公式如下:

Pdynamic = Capacitance × Voltage2 × Frequency

從這個方程式中我們可以看出,動態功耗來自於負載電容充放電和電流的切換,其中電壓與功耗是平方關係,對功耗的直接影響最大,也就是說電壓愈高,相對的功耗也會以級數上升;高速的頻率同樣也是提升功耗的殺手。因此降低電壓與時脈是節省動態功耗的基本策略,電子產業也已對此提出種種的因應措施。圖一即顯示出因頻率改變帶來的線性省能效益。

 

 

圖一:因頻率改變而帶來的省能效益(LongRun為Transmeta省電技術)。(資料來源:Transmeta)

ACPI電源管理策略

在PC/NB的電源管理技術上,最受重視當是先進組態和電源介面(Advanced Configuration and Power Interface;ACPI)規範。它是一項開放性的產業標準,由HP、Intel、Microsoft、Phoenix和Toshiba共同開發,並定義出硬體辨識、主機板和設備組態及電源管理的通用介面。ACPI最早在1996年12月提出,最新的版本是2006年12月提出的3.0b版規範。

ACPI的核心技術是以作業系統直接進行組態及電源管理(Operating System-based configuration and Power Management;OSPM)。當支援ACPI的作業系統為設備進入初始化後,OSPM會取代既有系統所建置的舊有功能,例如APM BIOS、SMM-base韌體和PNPBIOS等。完成後,OSPM會開始管理主機板上設備的組態事件,以及基於用戶的偏好設定、應用功能需求及作業系統的品質保證(QoS)�使用目標等因素來控制系統的電源、效能和散熱狀態。

ACPI針對電腦的全區系統狀態(Global system states, Gx states)、個別設備的電源狀態(device power state)、休眠模式(sleeping mode)、處理器的電源狀態及設備和處理器的效能狀態都做了多層次的定義,讓PC或NB能視不同的使用狀態選擇適當的電源管理模式。

以全區系統狀態來說,即分為工作狀態(G0 working)、睡眠狀態(G1 sleeping)、軟關機(G2/S5 soft off)、機械性關機(G3 Mechanical off),不同狀態下的軟體執行需求、回復時間及耗電性等等條件皆有不同,請參考(表一)。此外,ACPI也對個別設備的電源狀態做出定義,包括正常運作(D0),兩個低功耗模式(D1、D2)及停止運作(D3)四個階段,請參考(表二)。

 

 

處理器的電源狀態與設備的模式相似,也分為C0到C3四個階段。C1到C3為節能模式;在C0的正常運作狀態下,還可以分為效能狀態(Px)和節流狀態(Throtting)兩種功耗管理模式,大多數的x86處理器只支援節流狀態,但新的CPU已強調支援效能狀態了,因此模式能更細膩地依應用需求來安排處理器(或設備)的效能與耗電性。效能狀態的層次是由處理器(或設備)業者自行定義,最多可分為16個效能狀態。

ACPI中另一個值得一提的規範,也就是它對休眠模式的定義。ACPI將休眠模式分為從S1到S5的五個等級,隨著等級的增加,CPU、系統快取功能、晶片組、系統記憶體等功能會陸續暫停工作。但S5的軟關機(soft off)階段時,連作業系統都會停止工作,要再回復工作必須重新啟動作業系統才行。

然而,為了讓軟關機在重新啟動後能回復到與使用者原先相同的工作環境,在切掉系統電源前必須將揮發性記憶體(如RAM)中的內容寫入非揮發性的儲存單元(如硬碟)中,當重新啟動時,再將這些資料載回記憶體中,以回復到休眠前的狀態。不過,執行此模式的前題是系統硬碟要有足夠的剩餘空間來存放RAM中的資料內容。

處理器業者的省電獨門技術

由於ACPI屬於通用性的電源管理規範,各家處理器業者為了強調自有產品的省電能力,也各自發表了自己的相關電源管理技術。就筆記型電腦來說,Intel提出了增強型Intel SpeedStep技術(Enhanced Intel SpeedStep Technology, EIST),AMD的是PowerNow!,VIA也有一套 – PowerSaver,Transmeta的則是LongRun/LongRun2。各家提出的相關低功耗管理技術簡介如下:

1. Intel省電平台技術

EIST是Intel專為筆記型電腦和伺服器平台處理器所開發的一項省電技術,新推出的桌上型處理器也開始支援此項技術。EIST能根據不同的系統工作量自動調整處理器的電壓及頻率,以減少耗電量。由於功耗與熱量的產生是一體兩面的事,因此當功耗降低,也意味著散熱需求減少,就不需要以高速的風扇進行散熱,進而也能疏緩風扇的噪音問題。

除了EIST外,Intel還提出了多項相關的省電技術,例如該公司提出了所謂的分隔匯流排(Split Busses)技術,用來更有效的利用匯流排的資源。其出發點是因所有的匯流排雖然都是128位元的寬度,但並非隨時都會全部用到,因此Intel讓處理器分隔匯流排的使用,並將用不到的部分關掉,以達到省電效果。

此外,Intel在系統平台中加入了PSI-2(Power Status Indicator電源狀態指示器),它是建置於Core 2處理器上的電源監測線路,可以用來接收監測訊號,並視狀況調整電源穩壓器的負載,以最有效率的方式來運作;PSI-2控制器會隨時注意處理器的功率需求,當需求下降時,它會將部份的電壓穩壓器關掉,讓電源穩壓模組一直處於最恰當的工作效率之下。

2. AMD的節能技術

AMD的PowerNow!也是針對筆記型電腦和伺服器而設計的省電技術(在PC上的省電技術為Cool 'n' Quiet)。在AMD新的Opterons系列中則採用PowerNow!的另一延伸版本,即最佳化電源管理(Optimized Power Management;OPM)。

PowerNow!的技術作法與Intel的EIST極為類似,同樣會根據工作負荷量來調整CPU的電壓與頻率。它定義了3種時脈�電壓運作模式,分別是Normal(最高時脈�電壓)、Intermediate(中間時脈�電壓)及Minimum(最小時脈�電壓),可在1秒鐘之內動態切換30次時脈及電壓,AMD表示此技術能讓idle時的CPU功耗降低75%。筆記型電腦需另行安裝驅動程式才能啟用PowerNow!功能。

3. VIA的雙PLL作法

VIA在Intel和AMD的夾擊下,仍能保有其市場地位,證實了它在技術確實有其獨到之處。在筆記型電腦的電源管理技術上,該公司提出CoolStream架構,在此架構下建置了PowerSaver(原名Longhaul)及TwinTurbo兩大互補的省電技術。其中PowerSaver技術能進一步降低運作的功耗,讓處理器能在最高和最低速度之間依應用需求做彈性的調整。此外,它也能用於即時作業系統(Real-time OS;RTOS)的無縫性(seamless)運作,以滿足特定的即時性應用需求。

TwinTurbo是為新一代行動設備所開發的電源與效能效益技術,它與PowerSaver互補,能高速改變處理器的操作頻率。由於電腦的高頻時脈是由鎖相迴路(PLL)來產生,過去的處理器中,由PLL產生的頻率一旦啟用了,就會維持這個頻率一直到關閉電源。新的行動處理器整合了讓處理器能夠改變頻率和電壓的DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)技術,讓它能依前述的效能狀態(Px)來調整處理器的效能等級。

然而,行動處理器的一個重要限制是當效能狀態改變時,處理器得跟著改變頻率,這時得暫停所有的運作,再解開PLL,將PLL移到新的頻率,接著再鎖定PLL及回復處理器的運作,這會大幅延遲處理器的工作。

VIA 的行動處理器(C7-M)採用TwinTurbo技術,它整合了兩個PLL,能夠有效地改善傳統的延遲現象。當處理器改變效能狀態,透過VIA的PowerSaver技術,這處理器會先以既有PLL的頻率來操作,當第二個PLL調整到所需的頻率時,才立即轉移到新的運作頻率,此轉移過程僅需一個時脈週期。

結論:很顯然地,今日的筆記型電腦所追求的不再是高時脈的運算能力,而是要同時兼具效能�功能與低功耗、低噪音和低熱量產生的使用經驗,而這種平衡的達成與電源管理技術密不可分。ACPI已針對此議題提出了相當完善的操作參考規範,而其中保留了不少的彈性,讓處理器、組件設備及電腦系統業者能自行規劃出具區隔性的產品。

要真正達到低功耗的目標,在設計層面上不能僅考慮系統面的電源管理作法,還得往更基礎的個別晶片及製程、封裝等層面去進行規劃。例如當製程朝90奈米以上發展時,因電流洩露造成的靜態功耗就愈來愈嚴重。總而言之,低功耗的設計原則,就是儘量將不需要用到電的地方關起來,讓它休息,而且在休息時也不會產生電流洩露;但當需要工作時,就要盡快地被喚醒,就好像什麼事都沒發生一般。

Rank: 4

狀態︰ 離線
發表於 2007-3-30 21:57:34 |顯示全部樓層
小弟覺得這十二年來省電技術已有相當的進步…

why?
從那win 95 系統開始到現在,軟體吃的資源愈來愈重…

所以軟體真的是消秏資源的一大兇手!

若現在的硬體來跑dos系統,保證用很久…

所以硬體方面的省電技術再怎麼進步,軟體開發商們就有辦法怎麼消秏掉…
省錢大作戰…

Rank: 3Rank: 3

狀態︰ 離線
發表於 2011-10-14 12:24:38 |顯示全部樓層
感謝大大用心分享
NB真的是越做越高級越做越省電了
但是價格一樣的越來越貴...嘆
請注意︰利用多帳號發表自問自答的業配文置入性行銷廣告者,將直接禁訪或刪除帳號及全部文章!
您需要登錄後才可以回覆 登入 | 註冊


本論壇為非營利自由討論平台,所有個人言論不代表本站立場。文章內容如有涉及侵權,請通知管理人員,將立即刪除相關文章資料。侵權申訴或移除要求:abuse@oursogo.com

GMT+8, 2024-3-29 00:25

© 2004-2024 SOGO論壇 OURSOGO.COM
回頂部