基于电路的动态电容控制功率门电路的制作方法
【专利摘要】在一个实施例中，本发明包括一种装置，该装置具有：估计逻辑，用于在多个处理器周期期间估计处理器的处理器电路的动态电容；功率门计算器，用于基于动态电容估计，计算用于耦合至负载线以及在电压调节器和处理器电路之间的功率门电路的控制值；和控制器，用于基于控制值控制功率门电路的阻抗。其它实施例被描述和被要求保护。
【专利说明】基于电路的动态电容控制功率门电路
【技术领域】
[0001]各实施例与集成电路中的功率管理相关。
【背景技术】
[0002]在诸如处理器之类的各种集成电路中，工作负载改变可以非常迅速地发生。因此，动态电容(Cdyn)也可以迅速变化，例如在非常少的时钟周期中从很低至很高值变化。但是，包括数字控制器和将经调节电压提供给处理器的电压调节器的电压调节器回路的响应更慢的多，则因此用于设备的特定电压(VID)被设置为最差情况电流消耗，也被称为功率病毒(power virus) 0甚至在最差情况电压降的情况下，电路电压不必下降至目标值以下。设置此电路电压使得电路所见电压足以用于无差错操作。
[0003]但是，为最差情况电流消耗设置VID暗示在大多数情况中(即当不运行功率病毒时)，电路经历比需求电压更大的供应电压，且因此电路消耗太多功率，作为额外的泄露以及来自电路切换所跨越的额外电压。
[0004]为了辅助功率管理，集成电路管芯可以包括一个或多个门控功率域，用于门控功率域的功率可以被选择地应用和中断，参考功率门控。通常地，当不需要门控功率域的电路时，功率门控被用来间歇性地禁用或停用整个门控功率域以保存功率。这可以被称为将门控功率域置于睡眠模式或状态。
[0005]功率门在电源和门控配电网(门控电网)之间呈现固有的阻抗。根据欧姆定律，基于功率门的阻抗和对应门控功率域的电流消耗，门控电网电压可以与电源电压不同。
[0006]可以基于预期负载条件设定控电压。出于谨慎，可假定最大负载条件或最大电流消耗。但是在操作期间，门控功率域从门控电网消耗的电流可能比预期更少，和/或电流消耗随着时间可能变化。门控功率域消耗的电流可能比预期更少时，在总负载线上的电压降比预期的更少。因此，门控电网电压可以比目标门控电压更高。更高的门控电压可能不必提高门控功率域的性能，且可通过增加的泄露和/或活跃的功耗降低功率效率。
[0007]附图简述
[0008]图1是根据本发明的实施例的配电系统的框图。
[0009]图2是根据本发明的实施例的控制器的框图。
[0010]图3是根据本发明的实施例的执行动态功率门控的方法的流程图。
[0011]图4是根据本发明的一个实施例用于估计动态电容的方法的流程图。
[0012]图5是根据本发明的实施例的处理器的框图。
[0013]图6是根据一个实施例的处理器的协同设计的环境框图。
[0014]图7是根据本发明的一个实施例的处理器核的框图。
[0015]图8是根据本发明的实施例的系统的框图。
[0016]详细描述
[0017]在各个实施例中，在电压调节器和诸如处理器之类的半导体管芯电路之间耦合的功率门电路可以被控制为正确地实现最小的过电压并且因此当运行非功率病毒应用时最小化总功率。更特定的是，各实施例可以提供动态功率门控(DPG)系统以独立地控制在电压调节器和处理器电路之间耦合的多个功率门。在一个实施例中，系统可以包括控制器和可以在控制器的控制下被独立控制的功率门。
[0018]当某些处理器块/核是不活动时，为了控制泄露，处理器包括功率门以当电路空载时减少漏电流。这些功率门可以是在电压调节器和由电压调节器供电的电路之间耦合的负载线的一部分，且相比于通过功率控制单元(PCU)的控制回路调节VID，可更快速地(例如在大约几个时钟周期中)调节这些功率门。
[0019]为了控制通常针对大多数非功率病毒应用发生的过电压，大量将启用的功率门可以被控制。通过随着Cdyn变化而改变所启用的功率门的晶体管门宽度，使得能够控制功率门的阻抗，因此在当由应用消耗的Cdyn比功率病毒的Cdyn少的情况时吸收过电压，且因此吸收为其计算VID的电流。因此，甚至当电路在运行时，功率门的某些部分被禁用，因此将设备上(Vcc设备)的门控供应电压降至合适的电平，从而减少活跃的和泄露的功率。在其它实施例中，可通过适当控制功率门的门电压使得所有功率门在较低电平下被启用，和/或通过混合偏置和切换部分使得功率门中的一些被完全启用、一些被完全禁用且其它被部分启用以在降低电平下传导，来控制阻抗。
[0020]现在参考图1，所示出的是根据本发明的实施例的配电系统的框图。如图1所示，系统10可以被用来将经调节的电压提供至诸如处理器之类的集成电路。虽然本文描述的各实施例是关于多核处理器，然而理解本发明的范围在这点上不受限制，且其他各实施例可以结合从由高度控制送达的经调节且可控的电压处获益的其他集成电路或其他电子设备使用。
[0021 ] 如图1所示，系统10包括电压调节器20。在各个实施例中，电压调节器20可以是将经调节的电压提供至第一配电网络25的片外调节器。第一配电网络25可以包括诸如电线、耦合元件等的将经调节的电压提供至处理器内部电路的电路。依次地，从配电网络25输出的电压可以通过功率门电路30和通过第二配电网络35被提供，第二配电网络35可以类似地包括诸如电线、耦合元件等的电路以因此提供经调节的电压至电路40。注意到设备电压V。。可以在此第二配电网络的输出处被提供至电路40。在图1的实施例中，电路40可以对应多核处理器或其他此集成电路的某些或所有电路。
[0022]如图1所示，功率门30可以作为多个切换设备实现。在所示的特定实施例中，可存在多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) Ml-Mn。在一个实现中，每个MOSFET可以是P沟道MOSFET (PMOS)，虽然其他实施例可能使用N沟道MOSFETs (NMOS)或其他这样的切换设备。对于图1所示的电路，可以在PMOS设备的门端子处通过从控制器50接收的控制信号门控每个PMOS设备Ml-Mn。因此当被启用时，经调节的电压可以被提供至电路40，例如，从每个MOSFET的源端子至漏端子。因此，启用的开关通过第二配电网络35提供功率门控电压V。。。如下文将进一步描述，控制器50可以基于各个输入操作以控制这些开关。如下文将进一步描述的，一般而言，输入可对应关于处理器的操作参数的信息，包括其活动等级、各种开销、固定值等。
[0023]现参照图2，所示出的是根据本发明实施例的控制器的框图。如图2所示，控制器50可以包括各种可配置逻辑、其他硬件、固件和其组合以生成用于功率门电路的控制信号。如所示，控制器50包括下文将进一步描述的动态电容估计器60，可以接收关于处理器活动等级的输入。因此，估计器60可以生成估计的电容比，其在一个实施例中可以对应于:C =Cdyn—app/C动态功率病毒， 其中Cdyn-app是在处理器(或被分析的部分)上正被执行的当前工作负载的动态电容，且是对应于在处理器(或部分)上被执行的功率病毒的最大工作负载的动态电容。
[0024]因此，估计器60将所估计的比率C提供给更新逻辑70。在各个实施例中，更新逻辑70可以修改或更新此比率为更新的值C'。为了这个目的，更新逻辑70可以接收各种信息，包括诸如关于停止、时钟门控信号、数据模式等的附加的硬件动态信息，和在一些实施例中的可编程权重。
[0025]基于所有的该信息，更新逻辑70可以生成被提供给功率门设置计算器80的经更新的比率C'。在一个实施例中，例如，更新逻辑70可以使用增加或减少预先确定的比特数以生成C'。在各个实施例中，计算器80可以使用经更新的比率值，连同阻抗值R的比率和功率值A的比率一起计算功率门设置。在一个实施例中，该阻抗值R的比率可以根据以下计算:R = RPG—功率病毒/R负载线，其中RPG—功率病毒是功率门阻抗(当完全开启时)以及R负载线是总负载线阻抗。在一个实施例中，该比率功率值A可以根据以下计算:A = PAC_?m/P^^其中PAe—I;Wfrt是当处理器正在执行功率病毒应用时的活动功率以及Pa_?是处?器在执行功率病毒应用时的总功率。在一个实施例中，计算器80可以计算对应于1/M的功率门设置，此处1/M对应于应该被保留启用以优化/最小化过电压的功率门的宽度的一部分。换言之，M可以被定义为:M = Wrc—App，其中Wrc—是在功率病毒应用期间核中启用的所有功率门的总宽度，而Wrc App是在典型的应用期间被启用以最小化过电压的功率门的总宽度。
[0026]此功率门设置值1/M可以被提供给功率门控制器90。在一个实施例中，功率门控制器90可以基于此功率门设置生成控制信号。例如，功率门控制器90可以设置某些控制信号为低电平有效(假设功率门是PMOS设备使得这些开关设备将被启用)。相反，高电平无效的信号将被生成用于对应的保持断开的开关。虽然在图2的实施例中的高电平中被示出，然而理解本发明的范围不限于这点。
[0027]现参考图3，示出根据本发明的实施例的执行动态功率门控的方法的流程图。如图3所示，方法200可至少部分地通过耦合于功率门电路的控制器执行。在一个实施例中，该控制器可以被实现为处理器的功率控制单元(PCU)的逻辑，虽然该控制器在其他实施例中可以位于其他位置。注意到该操作可以在中间件中被执行，该中间件在实际硬件的顶端运行且将高级软件(诸如OS或应用)的指令转换为本机、硬件代码。如所示，方法200可以通过确定一组要执行的指令(块210)开始。例如，给定大小的指令窗口，如以处理器的给定周期数(例如5-10周期)中执行的指令可以被分组在一起。根据该指令组，估计的动态电容比率(C)可以被估计(块220)。将在下文进一步描述估计执行的细节。但是，只需要说明该估计可基于由指令执行导致的近似动态电容就足够了。这进而可以至少部分地基于正在执行的指令类型，以及更具体地基于用来执行这些指令的处理器电路的类型。
[0028]仍然参考图3，控制接下来传递到块230，其中该比率可以被调节。更特别地，该值可以基于硬件动态信息被调节，这将会在下文进一步描述。因此，经调节的动态电容比率(C')可以被确定。下一步，控制传递到块240，其中该经调节的比率C'可以被转换成功率门阻抗设置(块240)。然后，可通过使用该功率门阻抗设置控制该功率门阻抗(块250)。例如，可以从控制器发送控制信号至功率门电路的开关，以因此导致至少一些开关被启用且一些开关被禁用，由此将合适的电压电平提供至处理器电路。虽然在图3的实施例中的高等级中讨论，然而理解本发明的范围不限于关于此点。
[0029]现参考图4，示出根据本发明的一个实施例用于估计动态电容的方法的流程图。方法300也可以在相同的控制器中实现为图2的操作。更特别地，方法300可以对应关于在图3的块200中执行的操作的更多细节。
[0030]如所示，方法300可以提供针对指令组窗口的每个时钟周期执行的操作循环。如上文所述，在一个实施例中该窗口可以在约5-10各周期之间。在每一个该窗口周期，控制开始于块310且传递到块320，其中该周期的每个指令可以被映射至动态电容(块320)。在一个实施例中，基于表的映射可以被执行使得对于每一种指令类型，给定的电容值可以被确定。如上文所讨论，在一个实施例中该电容可以基于被启用以用于指令执行的电路的类型。在某些实施例中，例如，该表可以在非易失性存储中被固定和存储。但是，在其他实施例中，该表可以动态地生成，且当处理器温度和/或诸如供电电压之类的其他参数超过特定阈值时可以被更新。
[0031]仍参考图4，接下来，控制传递到块330，其中可将周期的同时执行的指令的动态电容相加以获得动态电容和。接下来，控制传递到块340，其中可将校正因子与该动态电容和相加，因此获得经调节的电容和。该块310-340循环可以在被分析的指令窗口的每个周期中被执行。依据结论，控制接下来传递到块350。
[0032]在块350中，经调节的电容和可以由指令窗口的多个周期被平均，因此获得每个周期的平均经调节的电容。作为一个示例，在该更大的指令组窗口中的三个周期可以被平均使得每个周期与平均值相关联，该平均值是窗口内的多周期的平均。仍然参考图4，控制接下来传递到块360，其中这些平均经调节的电容和的最大值可以被选择。因此，例如，对于10个周期的指令窗口，可以选择具有最高值的平均经调节的电容和。在块370使用该值，可以计算动态电容比率。更具体地，使用该最大平均经调节的电容和及处理器的最大电容可以计算该比率，处理器的最大电容在一个实施例中可以对应于功率病毒的动态电容值。因此，方法300可以生成估计的动态电容比率，在实施例中示出的该估计的动态电容比率可以用于进一步处理，诸如以上参考图3所描述的。
[0033]因此，如上文流程图所阐述的，各个步骤或阶段可以在DPG控制流中执行以将功率门阻抗设置至最优点。作为示例，这些步骤可包括:为给定的指令集估计Cdyn比率(C)；用附加的硬件动态信息(C = >C’)修改Cdyn估计；将经调节的Cdyn转变成功率门阻抗设置(C’ = >1/M);以及设置功率门电路的阻抗，以启用/禁用总电路中的仅确定百分比。
[0034]在该示例实施例中，估计Cdyn是在正确设置功率门过程中的第一步骤。典型地，指令执行诸如加(ADD)、乘(MULT)、加载(LD)和相似操作等的不同操作。这在表I中示出，其中示出在7个连续周期中指令的执行。
[0035]表I
[0036]
【权利要求】
1.一种装置，包括: 估计逻辑，用于在第一多个处理器周期期间估计处理器的第一处理器电路的动态电容； 功率门计算器，用于基于动态电容估计，计算用于耦合至负载线并且在电压调节器和第一处理器电路之间的功率门电路的控制值；以及 控制器，用于基于控制值控制功率门电路的阻抗。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括更新逻辑，用于基于硬件动态信息修改来自估计逻辑的动态电容估计。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述动态电容估计包括在第一多个处理器周期期间第一处理器电路的动态电容估计与在执行功率病毒期间第一处理器电路的动态电容之间的比率。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述更新逻辑用第一个值调节所述动态电容估计以获得经修改的动态电容。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括映射表，所述映射表包括多个条目，每个条目都将指令类型映射到电容值。
6.如权利要求1、2或5所述的装置，其特征在于，所述控制器增加功率门电路的阻抗以通过功率门电路中的电压调节器吸收过电压输出，从而降低处理器的功耗。
7.一种方法，包括: 估计第一处理器电路在执行指令组期间的动态电容； 基于硬件动态信息调节动态电容估计以获得经调节的动态电容估计；以及 基于经调节的动态电容估计控制耦合至负载线并且在电压调节器和第一处理器电路之间的功率门电路的阻抗。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述估计用于指令组的动态电容包括对于所述指令组内多个周期的每一个周期: 将周期的每个指令影射到动态电容； 对周期的并发指令的动态电容求和以获得动态电容和；以及 将校正因子加到动态电容和上以获得经调节的电容和。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，估计用于指令组的动态电容还包括对于所述指令组内多个周期的每一个周期: 对来自多个周期的子集的经调节电容和求平均，以获得指令组内多个周期中每一个周期的平均经调节电容和；以及 选择多个周期的最大平均经调节的电容和。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，估计用于指令组的动态电容还包括使用最大平均经调节的电容和以及处理器的最大动态电容来计算动态电容比率。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在指令组被转换至用于在处理器中执行的机器指令时估计动态电容。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括存储指令，所述指令导致利用处理器的转换高速缓存中的机器指令基于动态电容估计来调节功率门电路的阻抗。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括使用指令在执行从转换高速缓存输出的机器指令的开始时控制功率门电路的阻抗。
14.一种系统,包括: 多核处理器，所述多核处理器包括多个核以独立执行指令，至少一个在负载线和所述多个核之间耦合的功率门电路，以及控制器，所述控制器用于响应所述多个核中至少一个核中不同指令组的执行将所述至少一个功率门电路的阻抗调节为在最大阻抗和最小阻抗之间的多个值； 耦合至所述多核处理器以向所述负载线提供经调节的电压的电压调节器；以及 耦合至所述多核处理器的动态随机存取存储器(DRAM)。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，还包括映射表，所述映射表包括多个条目，每个条目都将指令与电容值相关联。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述控制器访问所述映射表以确定第一指令组的多个指令中每一个指令的电容值。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述控制器基于所述多个指令中每一个指令的电容值在执行所述第一指令组时估计所述多核处理器的第一个核的动态电容。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述控制器基于所述动态电容估计计算用于至少一个功率门电路的控制值。
19.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述至少一个功率门电路增加所述功率门电路的阻抗以通过功率门电路中的电压调节器吸收过电压输出，从而降低处理器的功耗。
20.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述多核处理器还包括将所述第一指令组转换至第一机器指令组并且将所述第一机器指令组存储在转换高速缓存中的引擎，所述控制器导致生成指令以导致调节所述功率门电路的阻抗。
21.一种通信设备，所述通信设备被安排为执行权利要求7到13中任意一项的方法。
22.包括多个指令的至少一种机器可读介质，所述指令响应于在计算设备上的执行，导致计算设备执行根据权利要求7到13中任意一项的方法。
23.一种用于处理指令的装置，所述装置被配置为执行权利要求7到13中任意一项的方法。
24.一种装置，所述装置包括用于执行权利要求7到13中任意一项的方法的装置。
25.一种装置，包括: 用于在第一多个周期期间估计电路装置的动态电容的装置； 用于基于所述动态电容估计，计算用于耦合至负载线并且在电压调节器和所述电路装置之间的功率门电路的控制值的装置；以及 用于基于所述控制值控制所述功率门电路的阻抗的装置。
26.如权利要求25所述的装置，其特征在于，还包括用于基于硬件动态信息修改来自所述估计装置的动态电容估计的装置。
27.如权利要求25或26所述的装置，其特征在于，所述动态电容估计包括在所述第一多个周期期间所述电路装置的动态电容估计与在执行功率病毒期间所述电路装置的动态电容之间的比率。
28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述用于修改的装置将第一个值加到所述动态电容估计上以获得所述修改的动态电容。
29.如权利要求25所述的装置，其特征在于，还包括映射装置，所述映射装置包括多个条目，每个条目都将指令类型映射到电容值。
【文档编号】G06F1/26GK104205000SQ201280072143
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】V·斯维尔兰, M·泽尔里克森, K·科怀恩, N·尼尔拉坎塔姆, N·昂格尔 申请人:英特尔公司