單片機開(kāi)發(fā)處理器的熱管理

2020-12-30

微處理器系統中的熱管理是確保有效執行工作流程的重要因素。工程師展示了如何通過(guò)優(yōu)化處理器的硬件和軟件級別來(lái)降低能耗。重點(diǎn)介紹了與特定應用數據表中的值相比，該技術(shù)如何將能耗降低了46％。

在設計過(guò)程的最后，工程師經(jīng)常會(huì )遇到能源管理問(wèn)題，而小尺寸的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有散熱片或風(fēng)扇的空間，從而導致性能降低。

通過(guò)對整個(gè)系統行為的深入分析，可以定義最佳方法來(lái)克服保持有限的電源預算和節省空間措施的潛在挑戰。這可以通過(guò)查看處理器CPU負載數據，核心頻率和結溫來(lái)完成。能夠提供一種優(yōu)化處理器的方法，同時(shí)節省能源并最大程度地減少熱量的產(chǎn)生。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗

高處理頻率對整個(gè)計算機系統的能耗施加了嚴格的限制。因此，應始終將每個(gè)設備的能耗降至最低。功率計算不僅決定電源的規格，還決定最大的工作可靠性。

處理器的能耗通常分為靜態(tài)能耗和動(dòng)態(tài)能耗。靜態(tài)功耗與流過(guò)器件的泄漏電流相對應，并隨溫度線(xiàn)性變化。邏輯門(mén)的總泄漏電流包括兩個(gè)主要成分：亞閾值和門(mén)泄漏。在CMOS數字電路中，亞閾值泄漏電流很大，并且隨著(zhù)閾值電壓的降低呈指數增長(cháng)。

“靜態(tài)能耗的有趣之處在于，它無(wú)法通過(guò)路徑重復；您可以選擇降低能耗的途徑。”另一端的動(dòng)態(tài)功耗或多或少與結溫無(wú)關(guān)，但取決于CPU負載，CPU的平臺和頻率以及所使用的外圍設備。這意味著(zhù)動(dòng)態(tài)功耗取決于應用。

動(dòng)態(tài)功耗是通過(guò)考慮兩個(gè)因素的總和來(lái)計算的：開(kāi)關(guān)功率和短路功率。在對內部電容和凈電容進(jìn)行充電或放電時(shí)會(huì )消耗開(kāi)關(guān)功率。短路功率是在門(mén)切換狀態(tài)時(shí)，電源電壓和地之間的瞬時(shí)短路連接所消耗的功率。

圖1：溫度對功耗的影響

解決方案

實(shí)際演示是使用由工程師設計的兩臺單板計算機進(jìn)行的。具有四核架構的T1042處理器被放置在每臺單板計算機上，并且可以運行高達1.5 GHz。

一個(gè)處理器運行一個(gè)提供100％CPU負載的應用程序。另一個(gè)是技術(shù)優(yōu)化的處理器，它運行相同的應用程序并提供50％的CPU負載。紅外攝像機同時(shí)分析這兩個(gè)過(guò)程。攝像機圖像顯示在屏幕上。圖1中描述了這種情況。

“從圖2中的左側處理器來(lái)看，我們的散熱器溫度約為71°C，而右側處理器的溫度約為59°C，相差約12°C，” 工程師說(shuō)。“在接線(xiàn)柱上，我們發(fā)現兩個(gè)工藝之間的結溫仍然存在巨大差異。

他補充說(shuō)：“如果我們詳細研究能耗過(guò)程，這很有趣，我們會(huì )發(fā)現這兩個(gè)過(guò)程之間的差異在1.5和2 W之間，這是一個(gè)巨大的差異。”

工程師指出，此案例研究可以使T1042的功耗降低46％，與閱讀T1042規范所期望的相比。

“與客戶(hù)的深入討論中，我們得出的結論是，他們的應用程序不需要處理器的最大功能，” 工程師說(shuō)。“實(shí)際上，客戶(hù)擔心數據表中的功耗數據（在高計算方案中列出的值）。因此，我們幫助他們縮小了實(shí)際功率估算范圍。之后，我們能夠將其轉化為靜態(tài)功耗限制，并同意交付符合此要求的零件。”

功耗是集成電路的主要挑戰之一。動(dòng)態(tài)功率在CMOS電路中占主導地位。由于電流和負載容量充放電的短路而引起的開(kāi)關(guān)活動(dòng)，會(huì )產(chǎn)生動(dòng)態(tài)耗散。

較低的功耗（除了較高的帶寬外）將是下一代處理器的主要因素。全球高速發(fā)展趨勢要求新的解決方案來(lái)優(yōu)化能源管理。旨在降低動(dòng)態(tài)功耗的一種技術(shù)涉及動(dòng)態(tài)調整CPU中的電壓和頻率。此操作稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放（DVFS）。它受益于CPU具有離散的頻率和電壓設置的事實(shí)。

工程師強調說(shuō)，這種方法為設計人員提供了一個(gè)機會(huì )，使他們可以將更大的處理器應用于最初認為由于功率限制而無(wú)法實(shí)現的應用中。這使他們能夠在系統中獲得更大的計算能力裕度，以適應未來(lái)的用例發(fā)展。他說(shuō)：“對于工程師來(lái)說(shuō)，這是另一項技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)也提高了我們與客戶(hù)之間的親密關(guān)系，”