NB的低功耗電源管理設計挑戰

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NB的低功耗電源管理設計挑戰

房東：奇人

發表時間：2007-04-28

[檢舉]

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。

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