微處理器系統中的熱管理是確保工作流程高效執行的重要因素。Teledyne e2v 展示了如何通過優化處理器的硬件和軟件級別來降低能耗。在接受 embedded.com 采訪時，數據處理解決方案應用工程師 Thomas Porchez 強調了與特定應用的數據表上的值相比，該技術如何將能耗降低 46%。

在設計流程結束時，工程師通常會遇到能源管理挑戰，而小尺寸為散熱器或風扇留下的空間很小。這會導致性能下降。

通過對整個系統行為的深入分析，可以定義最佳方法來克服維持有限功率預算和節省空間措施的潛在挑戰。這可以通過查看處理器 CPU 負載數據、核心頻率和結溫來完成。Teledyne e2v 能夠提供一種優化處理器的方法，同時節省能源并最大限度地減少熱量產生。

靜態和動態功耗

高處理頻率對整個計算機系統的能量消耗施加了嚴格的限制。因此，應始終將每個設備的能耗降至最低。功率計算不僅決定了電源的大小，還決定了最大的運行可靠性。

處理器的能耗通常分為靜態能耗和動態能耗。靜態功耗對應于流經器件的漏電流，并隨溫度線性變化。邏輯門的總漏電流包括兩個主要部分：亞閾值和門漏電流。亞閾值漏電流在 CMOS 數字電路中是顯著的，它隨著閾值電壓的降低呈指數增長。

“靜態能耗的有趣之處在于它不能通過路徑重復，即您可以選擇降低能耗的路徑，”Porchez 說。

另一端的動態功耗或多或少與結溫無關，但取決于 CPU 負載、CPU 的平臺和頻率以及使用的外圍設備。這意味著動態功耗取決于應用。

動態功耗是通過考慮兩個因素的總和來計算的：開關功率和短路功率。當對內部電容和網絡電容進行充電或放電時，會消耗開關功率。短路功率是柵極切換狀態時電源電壓和地之間的瞬時短路連接所消耗的功率。

圖 1：溫度對功耗的影響

Teledyne 解決方案

實際演示使用兩臺由 Teledyne e2v 合作伙伴設計的單板計算機進行。每臺單板計算機上都放置了一個四核架構的 T1042 處理器，最高可運行 1.5 GHz。

一個處理器運行提供 100% CPU 負載的應用程序。另一個是 Teledyne 優化的處理器，運行相同的應用程序并提供 50% 的 CPU 負載。紅外熱像儀同時分析這兩個過程。攝像頭圖像顯示在屏幕上（圖 2）。

圖 2：降低熱負載的演示：左側為標準處理器的電路板，右側為 Teledyne 優化處理器的電路板

“查看左側處理器，我們發現散熱器的溫度約為 71 度，右側處理器的溫度約為 59 度。所以大約相差12度。在端子上，我們看到兩種工藝的結溫仍然存在巨大差異，”Porchez 說。

他補充說：“如果我們詳細查看能源消耗過程，這很有趣，我們會發現這兩個過程之間的差異在 1.5 到 2 瓦之間，這是一個巨大的差異。

Teledyne e2v 指出，該案例研究可以使 T1042 的功耗降低 46%，這與閱讀 T1042 規范所期望的結果相比。

圖 3：總功耗降低

“在與客戶的深入討論中，我們得出結論，他們的應用不需要處理器的最大功能。客戶實際上擔心數據表中的功率數據（在高計算場景中列出的值），因此我們幫助他們縮小了實際功率估算范圍。在此之后，我們能夠將其轉化為靜態功耗限制，并同意交付符合此要求的部件，”Porchez 說。

功耗是集成電路面臨的主要挑戰之一。動態功率在 CMOS 電路中占主導地位。動態耗散是由于電流短路和負載容量充電和放電引起的開關活動的結果。

更低的功耗（除了更高的帶寬）將是下一代處理器的主要因素。更高速度的全球趨勢需要新的解決方案來優化能源管理。一種旨在降低動態功耗的技術涉及動態調整 CPU 中的電壓和頻率。這種操作稱為動態電壓和頻率縮放 （DVFS）。它受益于 CPU 具有離散的頻率和電壓設置這一事實。Porchez 強調，這種方法為設計人員提供了在應用程序中安裝更大處理器的機會，他們最初認為由于功率限制，這是不可能的。這使他們能夠在系統中獲得更大的計算能力余量，以適應未來的用例演變。

審核編輯：郭婷