解决DSP设计面临的终极挑战

北京青翼科技

多年来，数字信号处理器 (DSP) 设计人员一直在应付这样一项艰难的工作：提供占用空间小的高性能芯片，而且要不影响灵活性和软件的可编程能力。

由于新的应用程序发展速度惊人，提供的 DSP 必须在功率、性能和使用寿命上跟上这种速度，应对当前面临的挑战，并准备好应对未来的应用。这些高性能多核心 DSP被越来越多地应用在电信接入、改进数据率GSM服务(EDGE)和基础设施设备领域，用来处理语音、视频和无线电信号。

以前，电信设备制造商使用专用的 ASIC 或 DSP-ASIC 组合来达到自己的目标。现在，这些新的 DSP 可以替代那些繁琐的解决方案;如果足够强大，它们还可以实现以前的解决方案所无法实现的灵活性。对于那些必须在网络部署中持续使用多年的接入和基础设施设备，而言, 这些灵活的解决方案是大有裨益的。假如这些类型的设备和应用程序的使用寿命得到延长，那么，成功的关键就是灵活性、适应性和现场可编程性。

在目前的技术条件下，ASIC 在灵活性或现场可编程性方面不如 DSP，但 DSP 的能耗较大，这让芯片设计人员左右为难。不过，还是有希望：新一代的多核心 DSP可以同时做到高性能和高能效。做到这点的技术是存在的，但必须先解决“功率耗散”(功率极限)问题。

功率极限

目前，芯片功率耗散的源头有两个：以泄漏形式出现的静态现象;以开关运算形式出现的动态现象。在采用 90 纳米和以下工艺的 CMOS 技术中，这种功率耗散现象最为明显。但是，新一代的 DSP 设计不仅能减轻和避开这种功率极限，而且实际上可以提高基础设施、接入和 EDGE 设备的处理能力，同时限制功率消耗和热量耗散。

部分特定CMOS 技术下的能耗界定的关键度量指标:

•电源电压

•门开关速度

•门输入电容

•门功耗

•每个 MAC 运算消耗的能源

研究表明，同等功能(如 MAC 单元)的功率密度(即单位面积的功率)在 0.13 微米(含)以上的芯片中相当稳定。但是，到达90 纳米时，这个指标会突然升高。

Power/Areaversus Silicon Technology

功率/面积与硅技术

Powercrisis at 90 nm and below

90 纳米及以下工艺的功率极限

um

微米

nm

纳米

在采用 0.13 微米技术以前，DSP 设计能够在提高性能的同时降低功率，从而可以在单个芯片中植入更多的电路。这主要是通过减小尺寸并降低电压实现的。采用了 90 纳米技术后，所有这一切就都行不通了。

现在面临的是以性能换功能的问题，这是设备制造商所不愿遇到的情况：在一个芯片中植入更多电路但降低性能，或者减少电路数以减少功能。

由于“功率极限”的情形继续存在，设计人员一直在通过增加功耗来获得性能和功能方面的优势。但是，这会带来一种新的风险：达到热量耗散的极限。所产生的问题可能已经在当前市场上最新一代的通用多核心 DSP 中出现。

零-和博弈：静态能效

因为性能是基础设施、接入和 EDGE 应用的主要目标，因此设计人员一般并不关心零待机功率问题。因此，通常采用通用硅工艺来优化性能，而不会选择低泄漏的硅。选择低泄漏的硅可以降低待机功率，但也会降低速度和性能。

这就要求有选择地使用晶体管。

在使用电池的设备中，高电压阈值 (HVT) 可能是最佳的;但在基础设施应用中，首选的是标准电压阈值 (SVT) 技术。

例如，假如某个设计使用 HVT 逻辑运算，并且电源电压为 1.2V，则将连续产生 20mW 的泄漏功率。如果以最大容量运算，则将消耗 1W 的动态功率。

使用 SVT 逻辑运算的相同设计在电源电压为 1.0V 时可以实现几乎相同性能，产生的泄漏功率多出 4 倍 (100mW)，但动态消耗的功率只有 694mW (1.02 /1.22 = 0.694)。

因此，泄漏较高的 SVT 设计消耗的总功率只有 790mW，而相比之下，HVT 设计的消耗总功率为 1.02W。前者比后者节能 23%。

HVT 设计和 SVT 设计的功耗比较

Anunused module can be disabled anytime using an enable signal. Associated logicand clock trees contained in a disabled module will therefore stop consumingpower.

可以使用激活信号随时禁用未使用的模块。被禁用的模块中包含的相关逻辑和时钟树会因此停止消耗能量。

Anunused module can be disabled anytime using an enable signal. Associated logicand clock trees contained in a disabled module will therefore stop consumingpower.

可以使用激活信号随时禁用未使用的模块。被禁用的模块中包含的相关逻辑和时钟树会因此停止消耗能量。

module0is enabled

module0已激活

module1is enabled

module1已激活

module2is disabled

module2被禁用

mclk isgrounded

mclk 接地

MODULE0(array of gates and flip-flops)

MODULE0(门和触发器阵列)

MODULE1(array of gates and flip-flops)

MODULE1(门和触发器阵列)

MODULE2(array of gates and flip-flops)

MODULE2(门和触发器阵列)

性能

两种设计实现的性能相同。

尽管与人们预料的情况相反，这一示例表明，使用较高泄漏的 SVT 逻辑与使用低泄漏的 HVT 逻辑相比，可以在总体上节能，这是因为后者电路中的开关活动量很大。对于乘法和累加 (MAC) 电路，这种设计特别有用;但如果用在低活动因素的电路(如 RAM 电路或测试电路)上，则会出现相反的结果。因此，SVT 逻辑适用于基础设施中“始终打开”的设备。

动态化：能效优化

时钟树和逻辑切换都会导致动态能耗，必须在新一代多核心 DSP 中进行处理。通过不断优化这两种耗能因素的设计，可以极大地改进能效指标。

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