041月 2019

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低功耗设计概要

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老wu今天收到了一条微博的推送消息觉得挺有意思,是关于棒子的exynos 9820 手机处理器的发布会内容,本来棒子这款处理器2018年11月14日就已经发布了,是条旧闻,但被老wu关注的一个博主重新PO了一下,微博又重新给老wu推了过来,博文中说到什么对标苹果A12,脚踢高通骁龙8150,拳打麒麟980等等,老wu一点兴趣没有,不考虑买三星手机,甚至都已经忘了要关注三星家的手机处理器了,最近只关注过三星家的S5P6818主控,之前项目上需要选一款核心板,选型时曾了解过。

本来准备一扫而过的,粗略瞄了一下博文的附图,反倒被图片里的一项说明给吸引住了:“CPU相比前代产品单核性能提升20%或功耗降低40%,GPU相比前代产品性能提升40%相同性能下电力消耗降低35%”

非常有意思的一句话 😂,老wu特么从接触计算机那会起,每年都会听到造CPU的奸商说,他们新一代的CPU又采用了更为先进的制程工艺(CPU的制程工艺越先进,处理器功耗越低,温度也更低,处理器频率可以提升的更高)功耗又要比前一代降低多少个百分比。

从最初的Pentium的0.35微米到现今的7纳米,制程工艺翻了好多代了,就算每一代功耗都只降低10个百分比,到现今,CPU应该都不用耗电了吧 😂, 想想情况又有点不对,咋感觉PC的电源功率是越做越大,最初的时候貌似用的200W的电源,而现在的主机电源基本都四五百瓦起步了,手机处理器也是一样,记得用Nokia的时候还是两三天一充,现在的手机电池容量是越来越大反倒是一天两充电了。

提升制程工艺,当然可以降低IC的功耗,但为了追求更高的性能,又要塞入更多的晶体管,晶体管一多,功耗又上去了。

所以,IC设计中关于功耗、速度和面积往往要追求一个折中的平衡点

  • 功耗:电路工作所消耗的能量,功耗越低,芯片越省电,发热量 也越低,能耗低,环保。
  • 速度:电路可以跑多少MHz的时钟频率,一般来说,速度越快,能处理的数据量就越多,性能越好。
  • 面积:电路的物理实现需要占用硅片的面积,占用的面积越小,成本越低。

功耗、速度、面积是互相牵制的,在相同的制造工艺条件下,一般来说:

  • 速度越快,晶体管尺寸越大,面积就越大,功耗也越高。
  • 为了降低功耗,可以降低芯片的工作速度,让时钟的跳变频率变慢。
  • 为了降低成本,减小芯片面积,可以采用面积比较小(W比较小)的晶体管,由于电流和W成正比,因此面积减小,速度会变慢。(为了即减小面积,同时提高速度,则必须让L变小,也就是提升制程,65nm换成45nm,45nm换成28nm等等)
  • 为了提高速度,我们需要加大充电电流,加大电流,必然导致功耗增加。(为了不增加电流而提高速度,必须减少电容,或者降低充电电压,这两个动作也是靠工艺水平的提升来实现,比如45nm换成28nm工艺)

关于IC设计中功耗、速度和面积的互相牵制,老wu想到了Jan Rabaey大神写的《Low Power Design Essentials》(低功耗设计概要),是2009年出版的,至今已经十个年头啦,但经典就是经典。

知乎上有篇关于功耗对处理器的限制究竟有多大?的论述也非常精彩,老wu这里推荐给大家:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/20808891

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