基于電路的動態(tài)電容控制功率門電路的制作方法
【專利摘要】在一個實施例中，本發(fā)明包括一種裝置，該裝置具有：估計邏輯，用于在多個處理器周期期間估計處理器的處理器電路的動態(tài)電容；功率門計算器，用于基于動態(tài)電容估計，計算用于耦合至負載線以及在電壓調節(jié)器和處理器電路之間的功率門電路的控制值；和控制器，用于基于控制值控制功率門電路的阻抗。其它實施例被描述和被要求保護。
【專利說明】基于電路的動態(tài)電容控制功率門電路

【技術領域】
[0001]各實施例與集成電路中的功率管理相關。

【背景技術】
[0002]在諸如處理器之類的各種集成電路中，工作負載改變可以非常迅速地發(fā)生。因此，動態(tài)電容(Cdyn)也可以迅速變化，例如在非常少的時鐘周期中從很低至很高值變化。但是，包括數字控制器和將經調節(jié)電壓提供給處理器的電壓調節(jié)器的電壓調節(jié)器回路的響應更慢的多，則因此用于設備的特定電壓(VID)被設置為最差情況電流消耗，也被稱為功率病毒(power virus) 0甚至在最差情況電壓降的情況下，電路電壓不必下降至目標值以下。設置此電路電壓使得電路所見電壓足以用于無差錯操作。
[0003]但是，為最差情況電流消耗設置VID暗示在大多數情況中(即當不運行功率病毒時)，電路經歷比需求電壓更大的供應電壓，且因此電路消耗太多功率，作為額外的泄露以及來自電路切換所跨越的額外電壓。
[0004]為了輔助功率管理，集成電路管芯可以包括一個或多個門控功率域，用于門控功率域的功率可以被選擇地應用和中斷，參考功率門控。通常地，當不需要門控功率域的電路時，功率門控被用來間歇性地禁用或停用整個門控功率域以保存功率。這可以被稱為將門控功率域置于睡眠模式或狀態(tài)。
[0005]功率門在電源和門控配電網(門控電網)之間呈現固有的阻抗。根據歐姆定律，基于功率門的阻抗和對應門控功率域的電流消耗，門控電網電壓可以與電源電壓不同。
[0006]可以基于預期負載條件設定控電壓。出于謹慎，可假定最大負載條件或最大電流消耗。但是在操作期間，門控功率域從門控電網消耗的電流可能比預期更少，和/或電流消耗隨著時間可能變化。門控功率域消耗的電流可能比預期更少時，在總負載線上的電壓降比預期的更少。因此，門控電網電壓可以比目標門控電壓更高。更高的門控電壓可能不必提高門控功率域的性能，且可通過增加的泄露和/或活躍的功耗降低功率效率。
[0007]附圖簡述
[0008]圖1是根據本發(fā)明的實施例的配電系統(tǒng)的框圖。
[0009]圖2是根據本發(fā)明的實施例的控制器的框圖。
[0010]圖3是根據本發(fā)明的實施例的執(zhí)行動態(tài)功率門控的方法的流程圖。
[0011]圖4是根據本發(fā)明的一個實施例用于估計動態(tài)電容的方法的流程圖。
[0012]圖5是根據本發(fā)明的實施例的處理器的框圖。
[0013]圖6是根據一個實施例的處理器的協同設計的環(huán)境框圖。
[0014]圖7是根據本發(fā)明的一個實施例的處理器核的框圖。
[0015]圖8是根據本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)的框圖。
[0016]詳細描述
[0017]在各個實施例中，在電壓調節(jié)器和諸如處理器之類的半導體管芯電路之間耦合的功率門電路可以被控制為正確地實現最小的過電壓并且因此當運行非功率病毒應用時最小化總功率。更特定的是，各實施例可以提供動態(tài)功率門控(DPG)系統(tǒng)以獨立地控制在電壓調節(jié)器和處理器電路之間耦合的多個功率門。在一個實施例中，系統(tǒng)可以包括控制器和可以在控制器的控制下被獨立控制的功率門。
[0018]當某些處理器塊/核是不活動時，為了控制泄露，處理器包括功率門以當電路空載時減少漏電流。這些功率門可以是在電壓調節(jié)器和由電壓調節(jié)器供電的電路之間耦合的負載線的一部分，且相比于通過功率控制單元(PCU)的控制回路調節(jié)VID，可更快速地(例如在大約幾個時鐘周期中)調節(jié)這些功率門。
[0019]為了控制通常針對大多數非功率病毒應用發(fā)生的過電壓，大量將啟用的功率門可以被控制。通過隨著Cdyn變化而改變所啟用的功率門的晶體管門寬度，使得能夠控制功率門的阻抗，因此在當由應用消耗的Cdyn比功率病毒的Cdyn少的情況時吸收過電壓，且因此吸收為其計算VID的電流。因此，甚至當電路在運行時，功率門的某些部分被禁用，因此將設備上(Vcc設備)的門控供應電壓降至合適的電平，從而減少活躍的和泄露的功率。在其它實施例中，可通過適當控制功率門的門電壓使得所有功率門在較低電平下被啟用，和/或通過混合偏置和切換部分使得功率門中的一些被完全啟用、一些被完全禁用且其它被部分啟用以在降低電平下傳導，來控制阻抗。
[0020]現在參考圖1，所示出的是根據本發(fā)明的實施例的配電系統(tǒng)的框圖。如圖1所示，系統(tǒng)10可以被用來將經調節(jié)的電壓提供至諸如處理器之類的集成電路。雖然本文描述的各實施例是關于多核處理器，然而理解本發(fā)明的范圍在這點上不受限制，且其他各實施例可以結合從由高度控制送達的經調節(jié)且可控的電壓處獲益的其他集成電路或其他電子設備使用。
[0021 ] 如圖1所示，系統(tǒng)10包括電壓調節(jié)器20。在各個實施例中，電壓調節(jié)器20可以是將經調節(jié)的電壓提供至第一配電網絡25的片外調節(jié)器。第一配電網絡25可以包括諸如電線、耦合元件等的將經調節(jié)的電壓提供至處理器內部電路的電路。依次地，從配電網絡25輸出的電壓可以通過功率門電路30和通過第二配電網絡35被提供，第二配電網絡35可以類似地包括諸如電線、耦合元件等的電路以因此提供經調節(jié)的電壓至電路40。注意到設備電壓V。?？梢栽诖说诙潆娋W絡的輸出處被提供至電路40。在圖1的實施例中，電路40可以對應多核處理器或其他此集成電路的某些或所有電路。
[0022]如圖1所示，功率門30可以作為多個切換設備實現。在所示的特定實施例中，可存在多個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) Ml-Mn。在一個實現中，每個MOSFET可以是P溝道MOSFET (PMOS)，雖然其他實施例可能使用N溝道MOSFETs (NMOS)或其他這樣的切換設備。對于圖1所示的電路，可以在PMOS設備的門端子處通過從控制器50接收的控制信號門控每個PMOS設備Ml-Mn。因此當被啟用時，經調節(jié)的電壓可以被提供至電路40，例如，從每個MOSFET的源端子至漏端子。因此，啟用的開關通過第二配電網絡35提供功率門控電壓V。。。如下文將進一步描述，控制器50可以基于各個輸入操作以控制這些開關。如下文將進一步描述的，一般而言，輸入可對應關于處理器的操作參數的信息，包括其活動等級、各種開銷、固定值等。
[0023]現參照圖2，所示出的是根據本發(fā)明實施例的控制器的框圖。如圖2所示，控制器50可以包括各種可配置邏輯、其他硬件、固件和其組合以生成用于功率門電路的控制信號。如所示，控制器50包括下文將進一步描述的動態(tài)電容估計器60，可以接收關于處理器活動等級的輸入。因此，估計器60可以生成估計的電容比，其在一個實施例中可以對應于:C =Cdyn—app/C動態(tài)功率病毒， 其中Cdyn-app是在處理器(或被分析的部分)上正被執(zhí)行的當前工作負載的動態(tài)電容，且是對應于在處理器(或部分)上被執(zhí)行的功率病毒的最大工作負載的動態(tài)電容。
[0024]因此，估計器60將所估計的比率C提供給更新邏輯70。在各個實施例中，更新邏輯70可以修改或更新此比率為更新的值C'。為了這個目的，更新邏輯70可以接收各種信息，包括諸如關于停止、時鐘門控信號、數據模式等的附加的硬件動態(tài)信息，和在一些實施例中的可編程權重。
[0025]基于所有的該信息，更新邏輯70可以生成被提供給功率門設置計算器80的經更新的比率C'。在一個實施例中，例如，更新邏輯70可以使用增加或減少預先確定的比特數以生成C'。在各個實施例中，計算器80可以使用經更新的比率值，連同阻抗值R的比率和功率值A的比率一起計算功率門設置。在一個實施例中，該阻抗值R的比率可以根據以下計算:R = RPG—功率病毒/R負載線，其中RPG—功率病毒是功率門阻抗(當完全開啟時)以及R負載線是總負載線阻抗。在一個實施例中，該比率功率值A可以根據以下計算:A = PAC_?m/P^^其中PAe—I;Wfrt是當處理器正在執(zhí)行功率病毒應用時的活動功率以及Pa_?是處?器在執(zhí)行功率病毒應用時的總功率。在一個實施例中，計算器80可以計算對應于1/M的功率門設置，此處1/M對應于應該被保留啟用以優(yōu)化/最小化過電壓的功率門的寬度的一部分。換言之，M可以被定義為:M = Wrc—App，其中Wrc—是在功率病毒應用期間核中啟用的所有功率門的總寬度，而Wrc App是在典型的應用期間被啟用以最小化過電壓的功率門的總寬度。
[0026]此功率門設置值1/M可以被提供給功率門控制器90。在一個實施例中，功率門控制器90可以基于此功率門設置生成控制信號。例如，功率門控制器90可以設置某些控制信號為低電平有效(假設功率門是PMOS設備使得這些開關設備將被啟用)。相反，高電平無效的信號將被生成用于對應的保持斷開的開關。雖然在圖2的實施例中的高電平中被示出，然而理解本發(fā)明的范圍不限于這點。
[0027]現參考圖3，示出根據本發(fā)明的實施例的執(zhí)行動態(tài)功率門控的方法的流程圖。如圖3所示，方法200可至少部分地通過耦合于功率門電路的控制器執(zhí)行。在一個實施例中，該控制器可以被實現為處理器的功率控制單元(PCU)的邏輯，雖然該控制器在其他實施例中可以位于其他位置。注意到該操作可以在中間件中被執(zhí)行，該中間件在實際硬件的頂端運行且將高級軟件(諸如OS或應用)的指令轉換為本機、硬件代碼。如所示，方法200可以通過確定一組要執(zhí)行的指令(塊210)開始。例如，給定大小的指令窗口，如以處理器的給定周期數(例如5-10周期)中執(zhí)行的指令可以被分組在一起。根據該指令組，估計的動態(tài)電容比率(C)可以被估計(塊220)。將在下文進一步描述估計執(zhí)行的細節(jié)。但是，只需要說明該估計可基于由指令執(zhí)行導致的近似動態(tài)電容就足夠了。這進而可以至少部分地基于正在執(zhí)行的指令類型，以及更具體地基于用來執(zhí)行這些指令的處理器電路的類型。
[0028]仍然參考圖3，控制接下來傳遞到塊230，其中該比率可以被調節(jié)。更特別地，該值可以基于硬件動態(tài)信息被調節(jié)，這將會在下文進一步描述。因此，經調節(jié)的動態(tài)電容比率(C')可以被確定。下一步，控制傳遞到塊240，其中該經調節(jié)的比率C'可以被轉換成功率門阻抗設置(塊240)。然后，可通過使用該功率門阻抗設置控制該功率門阻抗(塊250)。例如，可以從控制器發(fā)送控制信號至功率門電路的開關，以因此導致至少一些開關被啟用且一些開關被禁用，由此將合適的電壓電平提供至處理器電路。雖然在圖3的實施例中的高等級中討論，然而理解本發(fā)明的范圍不限于關于此點。
[0029]現參考圖4，示出根據本發(fā)明的一個實施例用于估計動態(tài)電容的方法的流程圖。方法300也可以在相同的控制器中實現為圖2的操作。更特別地，方法300可以對應關于在圖3的塊200中執(zhí)行的操作的更多細節(jié)。
[0030]如所示，方法300可以提供針對指令組窗口的每個時鐘周期執(zhí)行的操作循環(huán)。如上文所述，在一個實施例中該窗口可以在約5-10各周期之間。在每一個該窗口周期，控制開始于塊310且傳遞到塊320，其中該周期的每個指令可以被映射至動態(tài)電容(塊320)。在一個實施例中，基于表的映射可以被執(zhí)行使得對于每一種指令類型，給定的電容值可以被確定。如上文所討論，在一個實施例中該電容可以基于被啟用以用于指令執(zhí)行的電路的類型。在某些實施例中，例如，該表可以在非易失性存儲中被固定和存儲。但是，在其他實施例中，該表可以動態(tài)地生成，且當處理器溫度和/或諸如供電電壓之類的其他參數超過特定閾值時可以被更新。
[0031]仍參考圖4，接下來，控制傳遞到塊330，其中可將周期的同時執(zhí)行的指令的動態(tài)電容相加以獲得動態(tài)電容和。接下來，控制傳遞到塊340，其中可將校正因子與該動態(tài)電容和相加，因此獲得經調節(jié)的電容和。該塊310-340循環(huán)可以在被分析的指令窗口的每個周期中被執(zhí)行。依據結論，控制接下來傳遞到塊350。
[0032]在塊350中，經調節(jié)的電容和可以由指令窗口的多個周期被平均，因此獲得每個周期的平均經調節(jié)的電容。作為一個示例，在該更大的指令組窗口中的三個周期可以被平均使得每個周期與平均值相關聯，該平均值是窗口內的多周期的平均。仍然參考圖4，控制接下來傳遞到塊360，其中這些平均經調節(jié)的電容和的最大值可以被選擇。因此，例如，對于10個周期的指令窗口，可以選擇具有最高值的平均經調節(jié)的電容和。在塊370使用該值，可以計算動態(tài)電容比率。更具體地，使用該最大平均經調節(jié)的電容和及處理器的最大電容可以計算該比率，處理器的最大電容在一個實施例中可以對應于功率病毒的動態(tài)電容值。因此，方法300可以生成估計的動態(tài)電容比率，在實施例中示出的該估計的動態(tài)電容比率可以用于進一步處理，諸如以上參考圖3所描述的。
[0033]因此，如上文流程圖所闡述的，各個步驟或階段可以在DPG控制流中執(zhí)行以將功率門阻抗設置至最優(yōu)點。作為示例，這些步驟可包括:為給定的指令集估計Cdyn比率(C)；用附加的硬件動態(tài)信息(C = >C’)修改Cdyn估計；將經調節(jié)的Cdyn轉變成功率門阻抗設置(C’ = >1/M);以及設置功率門電路的阻抗，以啟用/禁用總電路中的僅確定百分比。
[0034]在該示例實施例中，估計Cdyn是在正確設置功率門過程中的第一步驟。典型地，指令執(zhí)行諸如加(ADD)、乘(MULT)、加載(LD)和相似操作等的不同操作。這在表I中示出，其中示出在7個連續(xù)周期中指令的執(zhí)行。
[0035]表I
[0036]

【權利要求】
1.一種裝置，包括: 估計邏輯，用于在第一多個處理器周期期間估計處理器的第一處理器電路的動態(tài)電容； 功率門計算器，用于基于動態(tài)電容估計，計算用于耦合至負載線并且在電壓調節(jié)器和第一處理器電路之間的功率門電路的控制值；以及 控制器，用于基于控制值控制功率門電路的阻抗。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括更新邏輯，用于基于硬件動態(tài)信息修改來自估計邏輯的動態(tài)電容估計。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述動態(tài)電容估計包括在第一多個處理器周期期間第一處理器電路的動態(tài)電容估計與在執(zhí)行功率病毒期間第一處理器電路的動態(tài)電容之間的比率。
4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，所述更新邏輯用第一個值調節(jié)所述動態(tài)電容估計以獲得經修改的動態(tài)電容。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括映射表，所述映射表包括多個條目，每個條目都將指令類型映射到電容值。
6.如權利要求1、2或5所述的裝置，其特征在于，所述控制器增加功率門電路的阻抗以通過功率門電路中的電壓調節(jié)器吸收過電壓輸出，從而降低處理器的功耗。
7.一種方法，包括: 估計第一處理器電路在執(zhí)行指令組期間的動態(tài)電容； 基于硬件動態(tài)信息調節(jié)動態(tài)電容估計以獲得經調節(jié)的動態(tài)電容估計；以及 基于經調節(jié)的動態(tài)電容估計控制耦合至負載線并且在電壓調節(jié)器和第一處理器電路之間的功率門電路的阻抗。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述估計用于指令組的動態(tài)電容包括對于所述指令組內多個周期的每一個周期: 將周期的每個指令影射到動態(tài)電容； 對周期的并發(fā)指令的動態(tài)電容求和以獲得動態(tài)電容和；以及 將校正因子加到動態(tài)電容和上以獲得經調節(jié)的電容和。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，估計用于指令組的動態(tài)電容還包括對于所述指令組內多個周期的每一個周期: 對來自多個周期的子集的經調節(jié)電容和求平均，以獲得指令組內多個周期中每一個周期的平均經調節(jié)電容和；以及 選擇多個周期的最大平均經調節(jié)的電容和。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，估計用于指令組的動態(tài)電容還包括使用最大平均經調節(jié)的電容和以及處理器的最大動態(tài)電容來計算動態(tài)電容比率。
11.如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括在指令組被轉換至用于在處理器中執(zhí)行的機器指令時估計動態(tài)電容。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括存儲指令，所述指令導致利用處理器的轉換高速緩存中的機器指令基于動態(tài)電容估計來調節(jié)功率門電路的阻抗。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，還包括使用指令在執(zhí)行從轉換高速緩存輸出的機器指令的開始時控制功率門電路的阻抗。
14.一種系統(tǒng),包括: 多核處理器，所述多核處理器包括多個核以獨立執(zhí)行指令，至少一個在負載線和所述多個核之間耦合的功率門電路，以及控制器，所述控制器用于響應所述多個核中至少一個核中不同指令組的執(zhí)行將所述至少一個功率門電路的阻抗調節(jié)為在最大阻抗和最小阻抗之間的多個值； 耦合至所述多核處理器以向所述負載線提供經調節(jié)的電壓的電壓調節(jié)器；以及 耦合至所述多核處理器的動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括映射表，所述映射表包括多個條目，每個條目都將指令與電容值相關聯。
16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器訪問所述映射表以確定第一指令組的多個指令中每一個指令的電容值。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器基于所述多個指令中每一個指令的電容值在執(zhí)行所述第一指令組時估計所述多核處理器的第一個核的動態(tài)電容。
18.如權利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器基于所述動態(tài)電容估計計算用于至少一個功率門電路的控制值。
19.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個功率門電路增加所述功率門電路的阻抗以通過功率門電路中的電壓調節(jié)器吸收過電壓輸出，從而降低處理器的功耗。
20.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多核處理器還包括將所述第一指令組轉換至第一機器指令組并且將所述第一機器指令組存儲在轉換高速緩存中的引擎，所述控制器導致生成指令以導致調節(jié)所述功率門電路的阻抗。
21.一種通信設備，所述通信設備被安排為執(zhí)行權利要求7到13中任意一項的方法。
22.包括多個指令的至少一種機器可讀介質，所述指令響應于在計算設備上的執(zhí)行，導致計算設備執(zhí)行根據權利要求7到13中任意一項的方法。
23.一種用于處理指令的裝置，所述裝置被配置為執(zhí)行權利要求7到13中任意一項的方法。
24.一種裝置，所述裝置包括用于執(zhí)行權利要求7到13中任意一項的方法的裝置。
25.一種裝置，包括: 用于在第一多個周期期間估計電路裝置的動態(tài)電容的裝置； 用于基于所述動態(tài)電容估計，計算用于耦合至負載線并且在電壓調節(jié)器和所述電路裝置之間的功率門電路的控制值的裝置；以及 用于基于所述控制值控制所述功率門電路的阻抗的裝置。
26.如權利要求25所述的裝置，其特征在于，還包括用于基于硬件動態(tài)信息修改來自所述估計裝置的動態(tài)電容估計的裝置。
27.如權利要求25或26所述的裝置，其特征在于，所述動態(tài)電容估計包括在所述第一多個周期期間所述電路裝置的動態(tài)電容估計與在執(zhí)行功率病毒期間所述電路裝置的動態(tài)電容之間的比率。
28.如權利要求27所述的裝置，其特征在于，所述用于修改的裝置將第一個值加到所述動態(tài)電容估計上以獲得所述修改的動態(tài)電容。
29.如權利要求25所述的裝置，其特征在于，還包括映射裝置，所述映射裝置包括多個條目，每個條目都將指令類型映射到電容值。
【文檔編號】G06F1/26GK104205000SQ201280072143
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年3月30日 優(yōu)先權日:2012年3月30日
【發(fā)明者】V·斯維爾蘭, M·澤爾里克森, K·科懷恩, N·尼爾拉坎塔姆, N·昂格爾 申請人:英特爾公司