减少集成电路功耗的局部性能调节制造技术

在一集成电路（ＩＣ）中的功耗是由调节在ＩＣ中的特定功能单元（１０５）的性能而降低的。在一ＩＣ中的特定功能单元的最近利用量级是例如通过计算整个它的最近操作历史的每一功能单元的平均工作周期来监视的（１０６）。如果它的活动级（１０９）大于一阈值，则该功能单元可工作在一降低功率模式（１１０）。该阈值被设置得足够大以允许出现短的高利用的脉冲串。当它的利用超过一可维持值时通过调节功能单元的性能，一ＩＣ可动态地在高速操作和低功率操作之间取得折衷。在一ＩＣ中的多个功能单元之间或在一功能系统的多个ＩＣ之中这种动态功率／速率的折衷可以是最佳的。这种动态功率／速率折衷可以通过提供对调节参量的软件控制而变化。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及减小集成电路(IC)的功耗，特别是涉及超大规模(VLSI)集成电路的功耗。更详细地说，本专利技术涉及用来调节IC中需要控制最坏情况功耗的特定功能单元的性能的方法和装置。
技术介绍
减小由一IC所消耗的功率具有明显的优点(1)减小了必须提供给IC的功率；和(2)减小了必须由IC和IC周围器件所耗散的热。当IC准备用于诸如手持或笔记本型数字装置之类的便携式计算装置中时，降低功耗尤为重要。为了延长时间周期，便携式装置常常仅仅使用由内部电池所提供的电源来工作。由于便携式电池的尺寸、重量和存贮容量非常有限，所以在便携式装置中保存功率是关键的。在没有对它的电池充电或放电情况下减小它的IC的功耗可使该便携装置工作时间更长。另外，在没有机械散热片或散热器以及可以容易地用在一台面或架装式计算机系统的风扇来辅助散热的情况下，便携装置通常必须耗散它的各个元器件的热量。当在便携装置中的IC的功耗小时，它工作在低温状态。在计算装置中温度升高可使它的元器件工作不可靠或使其寿命减短。由IC所损耗的功率可通过降低它的工作速率来减小。对于使用支配商用IC制造的CMOS技术的制造的IC，IC功耗正比于它的时钟速率和它的工作电压。如果时钟速率或者电压降低，则该功耗减小。除非在该制造技术中进行了补偿改进，否则降低该电压还需降低该时钟速率。由于通常执行一特定操作需要一固定的时钟周期数，所以降低时钟速率来减小IC功耗也带来性能下降的遗憾。因此，存在降低IC功耗而不使它的性能下降的需求。对于许多复杂的IC来说，随着它们所执行的任务功耗的变化范围很宽。如在该IC中从1变为0或者从0变为1的电路节点越多，则功耗就越大。因此为了规定一特定IC的典型功耗，必须规定构成它的典型使用的工作顺序基准。由于计算装置设计成交互使用方式，要花费大量时间等待用户输入，所以这种基准很可能包括空闲时间量基准。一旦这种适合典型操作的基准被规定，则可测量或估算执行这些操作中的IC的功耗。这种典型的功耗值例如在对正常使用下的便携计算装置的电池寿命进行估算是有用的。最好是在功能单元中的IC在一特定的工作顺序期间不被使用而在功能单元中减少或限制节点转变来减小IC所消耗的功率。如果当它们未被使用时IC关闭功能单元，则典型功耗可明显减小而对性能只有很小或甚至没有影响。但是，关闭功能单元很可能使得最坏情况的功耗受到一点冲击，当IC执行利用IC中很多功能单元的操作序列时这种情况经常会发生。最坏情况功耗有可能比典型功耗明显地要高。一个IC中的特定功能单元或逻辑块经常被识别出它消耗了不成比例的IC功率份额，例如在一微处理器中执行浮点算术运算的电路就是如此。如果它不被调用去执行多个浮点运算则由微处理器所消耗的功率明显降低。微处理器的最坏情况功耗可能包括在数据值操作的浮点运算序列选择了从1到0或从0到1转变的最大量节点，并且使用在该微处理器中的高速缓冲存贮器反复执行浮点运算而避免对主存贮器读或写的情况。因此，如果根据所予示的将要进行的一转移操作的那种方式该微处理器执行即将到来的推理评价操作，则随着用于该微处理器的予示是准确的转移操作的百分比的增加功耗也随之增加。这是因为一不准确的予示充溢该指令执行流水线，因而剩余一些空闲功能单元作为该流水线的新补充。该系统的设计者在使用该IC时必须知道由该IC所消耗的最大功率将是针对任何可能的操作序列的。为了使得包含有一IC的系统做得坚固耐用，必须了解和规定该IC的最大的最坏情况功率。为了可靠性目的、为了热耗散目的和为了电源容量目的降低IC的最坏情况功耗是非常重要的。因此，存在有一降低IC的最坏情况功耗而不致其性能下降的需求。如上所述，一操作序列的最坏情况对于估价用于上述目的的最坏情况功耗是重要的。但是这样的一序列可认为是人为的，即它可以不是一微处理器的实际应用。例如，在评价在一便携计算装置中所使用的频繁使用浮点运算的一微处理中，人为地使用一基于多次浮点运算的最坏情况功率序列。在以最大速率执行长序列的浮点算术运算的便携计算装置的典型应用中它可能是不重要的。如果保持典型操作性能，为了减小功率，调回少量典型或人工操作顺序的性能是可接受的。因此，存在有减小IC的最坏情况功耗而不降低用于正常应用的性能的需求。专利技术概述一种用于控制IC内功耗的新方法和装置减少了最坏情况功耗而基本上没有降低一般应用的性能。最坏情况功耗是通过将高功率操作的长持续序列的活动级向下调节来降低的。在任何IC中，许多特定功能单元所消耗的功率可以是无规律的。例如，浮点算术运算单元和高速缓冲存贮器是一微处理器IC中二种类型的功能单元，可消耗基本相同的功率量。本专利技术允许IC设计者将所设计的IC中许多这种高功率功能单元视为相同的，并且在它自己的功率控制器控制之下安置每一单元。另外，本专利技术允许IC设计者在一总功率控制器的控制之下将它们设计的IC作为一整体来安置。在一微处理器IC的情况中，功耗作为一整体通过降低该指令退出速率或指令发出速率可有效调节该功耗。在一实施例中，该功率控制器包括一有效监视器和一模式控制器。该有效监视器跟踪该IC中一特定功能单元的最近利用电平，其中例如计算它的最近工作历史的平均工作周期。如果该有效电平大于一阈值，则该模式控制器接通该功能单元以工作在降低功率模式。该阈值设置得足够大以允许出现高利用的短脉冲串而不影响性能。本专利技术的实施例对所设计的IC仅增加了有限的成本和复杂性，例如，一些控制每一功能单元的控制电路和一增减计数器。另一方面，为了监视不同功能单元的利用、为了降低它们消耗的功率和为了设置它们的调节参量本专利技术适应包含一宽的各种技术的情况。根据本专利技术的另一方面，在一系统中的一IC或多个IC中的多个功能单元中本专利技术的动态功率/速率折衷方案可为最佳化。本专利技术包括最佳方案，其中由一特定功能单元所消耗的最大功率可根据在相同IC或相同系统中其它IC在另一处所消耗的功率来增大或减小。根据本专利技术的另一方面，本专利技术的动态功率/速率折衷方案可由诸如在系统引导程序时间执行的平台软件、或操作系统软件或甚至可能为应用软件之类的软件所控制。附图简要说明本专利技术按下面附图予以说明，为了清楚将已知电路表示为框图形式。这些附图和后面的说明是为了解释和为了有助于读者了解，但本专利技术决不限于这里所给出的最佳实施例和设计。附图说明图1(a)示出了本专利技术逻辑电路的框图；图1(b)示出了根据本专利技术的一功能单元从它的正常模式或状态向它的减小功率状态以及从减小功率模式到它的正常模式变换的一状态图；图2示出了在本专利技术的一实施例中在一浮点功能单元中实施一50％最大可承受工作周期的逻辑电路的框图；图3示出了在本专利技术的一实施例中在一高速缓冲存贮器中实施一可编程最大可承受工作周期的逻辑电路框图；图4示出了在本专利技术的一实施例中根据该数据高速缓冲存贮器的最近利用电平。图5示出了在本专利技术的一实施例中一功率协调程序读取一IC中的各个功能单元的有效电平并且根据这些有效电平改变其它功能单元的调节参量以动态地最佳化该功率/速率折衷方案的逻辑电路的框图。本专利技术的详细说明概述本专利技术允许一IC当它的最近利用超过一可承受值时通过调节返回一功能单元的性能而在高速操作和低速操作之间动态折衷。因此，本专利技术允许该IC动态地调节返回操作顺序的最大最坏情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有被控制功耗的微处理器，包括： 一在正常模式和降低功率模式中可进行浮点算术运算的浮点单元； 一耦合到所述浮点单元可对所述浮点单元的最近利用进行监视的有效监视器；和 一耦合到所述浮点单元和所述有效监视器，当所述最近利用大于一阈值时可将所述浮点单元置于所述降低功率模式的模式控制器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：M米塔尔，R瓦伦丁，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]