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利用封閉迴圈電壓調節控制降低功耗

上網時間: 2012年07月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ASIC  SoC  NIC  HBA  Vcore 

作者:Randy Skinner

萊迪思半導體公司

如果您下一個設計的電路板功耗可以降低25%到30%,甚至更多,是不是很理想?對一些設計而言,能有這樣的改善很不錯,但對某些特定的設計來說,如要使用最新的高效能積體電路藉此提升設計的競爭力,這就是必需的。為什麼呢?因為新的ASIC、SoC和處理器技術都有一個共通點:它們需要散熱!

原因何在?答案是IC技術提高了功耗密度。即使電晶體的尺寸縮小,且工作電壓更低,但是晶片上電晶體的數量以及它們轉換的頻率,卻以更快的速度在增加。這樣的結果就導致,在一塊較小的電路板區域內,需要更好的散熱性能。

整合式網路介面卡的演變

在整合式網路介面卡市場,整合的ASIC結合了帶有乙太網路處理核心的網路介面卡(NIC)和使用光纖通道處理核心的主機匯流排適配器(HBA)的功能。圖1顯示出這些廣泛被使用的ASIC的發展演變過程,從獨立功能的積體電路到單晶片系統上使用帶有多種核心的組件,再到今天的架構轉接器(Fabric Adapter)ASIC,透過一個積體電路的核心,本身就能夠處理多種協議。這樣的性能必須歸功於比以往更小的程序節點和更多的電晶體數量。多個更低的工作電壓,以及更高的時脈轉換速度,在一塊比以往更小的電路板上實現了這樣的處理能力。


圖1:整合網路介面卡ASIC的發展。

雖然這是一個令人振奮的進步,但是任何技術都有其限制,包括這些功能強大的新ASIC。使用這些技術進行積體電路設計的電路板工程師們,現在需要面對比以往更多的挑戰。在面對小面積又經壓縮的電路板,更高功耗密度帶來的設計挑戰包括:

* 內部積體電路的高溫,接近或達到最大值

* 需要散熱片或使用其他的散熱措施

* 相鄰組件在運行時溫度增加

透過電源電壓調節進行電源管理的策略

以整合式網路介面卡為例,使用一項新的技術來降低功耗,就是降低所討論的ASIC中內核的工作電壓。這樣做的同時也確保製造商特定的工作條件可以被滿足。功耗可顯著降低,因為功耗約等於組件工作電壓的平方。在負載和數位處理條件許可的情況下,高級ASIC的Vcore降低,每塊積體電路可節省30%以上的功耗。這些條件包括I/O負載、時脈速度和其他參數,如溫度和操作特性。

在適當的情況下,用於控制ASIC的Vcore設置的電路,可以改變該電壓下的電源Vout。在圖2中,一個專用的MCU與ASIC交換訊息,採用封閉迴路對演算法進行微調來即時調整VcoreDC-DC轉換器。MCU從DC-DC測得Vcore,然後透過外部數位類比轉換器(DAC)產生一個電壓,發送數位的校正訊號到DC-DC。


圖2:整合網路介面卡的電壓調節解決方案。


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