（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计.pdf

摘要 现代电子器件的集成化程度越来越高，导致系统功耗同益增加。同时，伴随 功耗带来的散热问题已成为制约电子设备发展的主要因素之一，过高的系统工作 温度将导致整个系统工作不稳定甚至失效。 本文在对国内外功耗散热研究状况和发展现状进行研究的基础上，首先探讨 了功耗散热的来源问题，从功耗和热分析控制技术的角度对目前功耗散热的设计 方法及思想和相关的设计流程进行综述，着重研究了当前低功耗设计的层次性设 计思路以及各个层次上主要的设计方法和功耗模型；对热控制技术和系统散热的 形式及其规律进行了研究，分别得出各自不同的散热定律；并对常用的数值计算 方法进行研究。随后，分别应用有限体积法和有限差分法理论，建立计算机机箱 的温度场模型和热阻优化模型。设计基于p c i 9 1 1 2 数据采集卡的多路温度测试平 台，建立计算机机箱的温度场模型，对其散热状况进行了试验模拟，并运用热分 析软件f l o t h e r m 对其温度场分布进行数值验证仿真。在热路分析理论即热电模拟 的基础上，借助多路温度测试平台完成对通用散热器件的模拟散热试验，比较了 在不同工况下的散热器的工作情况，并加以对比研究，同时计算热阻验证。最后， 应用有限差分法建立了机箱的热阻网络模型，提出了基于热电模拟理论的热阻网 络优化方法，同时在阐述遗传算法原理的基础上，应用遗传优化算法对机箱的热 阻网络优化。 关键词：功耗散热多路温度测试有限差分法热电模拟遗传算法 a b s t r a c t h i g hi n t e g r a t i o no fm o d e me l e c t r o n i cd e v i c e sl e dt oh i g hp o w e rp r o d u c e db yt h e m a tt h es a m et i m e ，h e a td i s s i p a t i o ng o e sw i t hp o w e ri st h em a i nf a c t o rw h i c hc o n s t r a i n e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t ；i t sh i g h e rw o r k i n gt e m p e r a t u r ec o u l d m a k et h ee l e c t r o n i cs y s t e mi n s t a b l e ，e v e nn o tw o r k i n g d u et ot h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ho np o w e rd e s i g na n dh e a to p t i m i z a t i o ni n e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，t h ep r o b l e mo no r i g i no ft h eh e a td i s s i p a t i o ni sd i s c u s s e df i r s t l yi n t h ep a p e ro nt h eb a s i so ft h es t u d i e sa n dp r o g r e s sh o m ea n da b r o a d s u m m a r i z a t i o n a b o u tp o w e rd e s i g na n dh e a td i s s i p a t i o ni sp r o p o s e ds u b s e q u e n t l yf r o mt w ov i e w so f p o w e ra n dh e a ta n a l y s i sa n dh e a tc o n t r 0 1 o no n eh a n d ，c u r r e n tl o wp o w e rd e s i g na n d i t sh i e r a r c h ya r es t u d i e dd e e p l y a n dm a i nd e s i g nm e t h o d so rp o w e rm o d e l so fe a c h h i e r a r c h ya r e a l s o p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r o nt h eo t h e rh a n d ，h e a tc o n t r o l ，h e a t e x c h a n g i n gs t y l e sa n dl a w sa r es t u d i e d ，a n de a c hh e a td i s s i p a t i o nl a wi si n f e r r e d s o m e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r ed e d u c e da n ds t u d i e da tt h es a m et i m e d e s i g n f l o w i n gg r a p h e so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ta r ep r e s e n t e d ap l a t f o r mo fm u l t i p l e x t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tb a s e do nd a op c i9 1 1 2i sc o n s t r u c t e d b yv i r t u eo ft h e p l a t f o r m ，c e r t a i nc o m p u t e rb o xi se s t a b l i s h e du s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d f r o m t h ep e r s p e c t i v eo fh e a td i s s i p a t i o n ，e x p e r i m e n t a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h ec o m p u t e rb o x w o r k i n gc o n d i t i o na r ed o n e s i m u l t a n e i t yn u m e r i c a lv a l i d a t i o nt e s ti se x e c u t e db y t h e r m a la n a l y s i ss o f t w a r ef l o t h e r m a f t e rt h e r m o e l e c t r o n i c a n a l o g yi sd i s c u s s e d ， c u r r e n th e a t d i s s i p a t i o nc o m p o n e n t sa r es i m u l a t e da n d t e s t e dw i t ht h em u l t i p l e x t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp l a t f o r m ，a n dw o r k i n gs t a t e so ft h en a t u r a lc o o l i n ga n df o r c e d c o o l i n ga r ec o m p a r e da n ds t u d i e dt o g e t h e r l a t e rt h e r m a lr e s i s t a n c e so fh e a tc o n d u c t i o n a n dc o n v e c t i o na r ec a l c u l a t e di nt h et e s t t h ee n do ft h ep a p e r ，am e t h o d o l o g yo f t h e r m a lr e s i s t a n c e sn e t w o r k o p t i m i z a t i o n b a s e do nt h e r m o e l e c t r o n i c a n a l o g y i s p r e s e n t e d a n di ti sr e a l i z e dt oo p t i m i z et h e r m a lr e s i s t a n c e sa n dp o w e ru s i n gg e n e t i c a l g o r i t h m k e y w o r d s ：p o w e ra n dh e a td i s s i p a t i o nm u l t i p l e xt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t f i n i t ed i f f e r e n tm e t h o dt h e r m o - e l e c t r o n i ca n a l o g y g e n e t i ca l g o r i t h m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：盏丝日期：2 盟：2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。f 保密的 论文在解密后遵守此规定1 本人签名： 导师签名： 日期：2 堡立：2 日期：2 翊! z ：丛一 第一章绪论 第一章绪论 随着移动嵌入式设备应用的不断扩大和芯片工作速度的不断提高，芯片功耗 和设备的散热问题已经成为电路设计者必须考虑的问题。同时对于系统整体性的 评估已经由原来的体积和效能的权衡变成了体积、效能、可靠性和功耗、散热的 综合考虑，并且功耗和散热所占的权重也越来越大。 嵌入式系统作为目前应用最为广泛的基于实时操作、可裁减软核基础上的工 业电子系统，拥有硬件的可配置性和软核的可裁减等优点，已经成为现在电子领 域中一个新的应用热点，比如a r m 作为低功耗处理器的典型已经得到了广泛的应 用。本论文的重点主要完成对功耗散热的研究和如何实现功耗散热的优化设计。 本章首先介绍了论文的选题背景和意义；然后对该领域内功耗散热的研究现 状和发展趋势做了一个简要的介绍；最后，概括介绍了论文的主要工作及其贡献， 给出了论文的组织结构。 1 1 功耗散热研究的背景和意义 随着l c 集成度，半导体工艺以及人们对电子设备功能、体积要求的不断提高， 系统产生的功耗会越来越高，随之散发的热量会越来越大，这些都逐渐成为限制 它们发展的“瓶颈”问题，特别是在以电池为供电形式的手持设备和移动通信设 备中，对电源续航力的要求也日益提高【1 1 【2 i 。同时，对电子设备功能的需求和性能 的要求却日益增加。然而，它们的体积却呈逐年减小的趋势。图1 1 给出了最近几 年来电子设备体积的发展趋势【3 1 。这样就出现了一个问题，体积限制了功能和性能 的发展。不过，集成化和半导体工艺的发展却为人们解决了这一矛盾，却产生了 另外一个问题：高密度组装和高集成度带来的功耗散热问题。 在未来电子设备高性能、小型化的发展趋势下，功耗和散热设计在电子设备 开发中所占的比重必将越来越大。以商用c p u 为例，随着现在工艺技术和性能、 成本等各方面的要求，单片c p u 的集成度越来越高，其功耗也呈逐年上升趋势。 功耗的急剧增加一方面加重了电源管理的负担，使得系统可靠性降低：另一 方面使得设备的散热问题日益凸显出来。图1 2 给出了近些年来各种电子设备散热 的增长趋势，从图中可以看出，由设备功耗引发的散热呈逐年上升趋势【”。 2 嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 图1 1 电子设备体积发展趋势图1 2 各种设备散热的增长趋势 众所周知，电子元件的故障发生率是随着工作温度的提高呈指数关系增长的。 研究资料【5 l 表明：单个半导体元件的温度升高1 0 ，系统的可靠性降低5 0 ，这 就是“1 0 法则”。文献【6 】对芯片的结温和芯片工作的可靠性之间进行了研究，同 时更进一步验证了“1 0 法则”，当芯片的结温每升高1 0 时，芯片工作的可靠性 呈现不同程度的递减趋势。由于电子设备体积小型化的要求，随着电子设备的功 能和复杂性日益增长，这样在有限的体积范围内，功耗会不断增长，热流密度急 剧上升，导致电子设备的温度迅速提高，从而引起了电子设备的故障越来越多， 表1 1 给出了电子元器件失效率随温度变化的关系。比如：p i i i s 0 0 芯片，其集成 的元器件数目达到了百万之多，温度显著提高，虽然采用了散热片、风扇等措施 来进行冷却降温，但仍得不到所要求的效果，厂商不得不将其工作电压从5 v 降低 到3 v ，甚至更低，以减小其功耗，控制内部温度，保证其正常工作【。”。因此，散 热情况的好坏将直接影响到电子设备工作的稳定性。 表1 1 高低温时部分元器什失效率及比值 基本失效率 元器件名称 4 t ， 高低温失效率比值 高温低温 晶体管 1 6 时o 0 6 4加时o 0 0 81 2 0 8 ：1 玻璃和陶瓷电容1 2 5 时o 0 2 94 0 时o o 0 0 98 53 2 ：1 变压器和线圈8 5 时o 0 2 6 74 0 时o 0 0 0 24 52 7 ：1 电5 u ( 碳膜电阻) 9 0 时o 0 0 6 34 0 时o o 0 0 25 03 1 ：l 集成电路芯片 9 0 时o 5 14 l 时o 0 0 6 85 07 ，5 ：1 由于附加的散热开销会增加设备开发的成本，这样就出现了一个问题，如何 降低系统的功耗，保证系统的稳定工作，以及优化功耗设计和散热布局日益成为 设备开发者必须认真考虑的一个问题。基于各种商业和技术的原因，比如单芯片 性能的不断提高，追求更高的处理频率以及芯片特征尺寸的缩小、芯片集成度的 增加、更高的功耗、或者由此引发的较低的系统可靠性、封装和设备制冷成本等 等，使得系统的功耗及散热设计研究已经成为现代电子系统的必然要求。另外， 低功耗设计及其散热分析在保证系统稳定工作的同时，必须平衡系统性能和功耗、 散热之问的矛盾，充分利用系统资源，使系统工作效能达到最大。所以，基于此 第一章绪论 3 方面开展的课题研究具有十分重要的意义。 1 2 功耗散热及优化设计研究的现状 薰重l重善重 4 嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 热方式一般采用铝制、铜制散热片，或者采用风扇散热，这些已经不能够满足电 子器件稳定工作的需要，尤其是内部散热空间较小的电了设备，已经很少采用传 统的散热方式，必须采用新的技术用于电子设备中散热和温度分配。 国外在散热方面的研究起步于六十年代，随着大规模集成化电子电路的发展， 热分析、热设计和热测量以及相关的散热技术才开始得到人们的重视，大规模开 始研究热问题则是在八十年代。国外虽然起步早，但是相应的研究成果并不是很 多。但是随着这一领域研究的不断深入，国外大学也积极探寻了一些新的设计思 想，比如，美国普度大学的机械工程师就在开发一套可用于计算机芯片降温的新 技术“纳米闪电”( n a n o 1 i g h t n i n g ) ，拟用微小电压电离芯片周围的空气，产生正负 粒子流流动，从而生成“电晕风”，达到降低芯片温度的目的。可以说，这种技术 兼顾了液体降温和气体降温的双重优势。使用气体进行降温却能达到液体降温的 效果每平方厘米4 0 瓦，极大了降低了芯片表面的温度。 与此同时，国内的一些大学也致力于研究一些新的散热技术，其中的微通道 换热技术，以其结构简单、体积小、具有很高的散热效率和能够在恶劣的环境下 工作的优点，成为目前国内外学者的研究热点【9 1 。 另外，各种热电效应，比如，p t c 效应，帕尔贴效应等在散热设计中的应用， 极大的丰富了电子散热内容，扩大了研究散热设计及分析的视角。各种先进的控 制技术和设计思想的运用，例如，热管技术在电子元器件冷却中的具体应用。与 传统散热设备相比，它有很多优点，如无需消耗动力、空间尺寸小、冷却能力高、 单位面积的传热量高。 上述众多的功耗散热设计手段和先进的控制技术，归根结底都必须满足电子 设备热设计基本要求，即满足电子设备工作在低于最高允许工作温度和功耗；满 足设备预期工作的热环境要求；满足对冷却系统的限制要求并符合相关标准、规 范的要求。 在功耗散热模型的解决问题上，目前通用的方法都是在各种不同的e d a 仿真 软件和热分析软件基础上进行的功耗估计及温度场模拟。本文主要侧重散热的研 究，在这个方面，主要的设计方法有基于热电效应的热电模拟法和基于流体力学 的计算机数值分析。这些内容在随后的章节会有详细的描述。 1 2 2 功耗散热优化算法的应用 功耗散热的研究并没有仅仅局限在散热本身的技术上，各种优化算法在实际 设计中的应用也推动了功耗散热设计的发展，丰富了设计者的设计思维和设计手 段。 目前通用的温度场模拟计算方法主要是数值计算方法，常见的有：有限元法、 有限体积法和有限差分法。在遵循流体力学基本定律和散热规律的基础上，解决 第一章绪论5 常见的散热问题，比如蒙特卡罗仿真算法解决电路板上功耗、散热南局问题。一 些常用的商用软件也是基于上述算法之上的求解计算器【1 0 l 。从优化算法角度来看， 一些优化布局算法在系统设计中的应用很大程度上解决了功耗和散热布局最佳设 计问题。比如，遗传算法、蚂蚁算法和模拟退火算法等，当前这些先进的优化算 法基本上都是在并行计算原理上的随机搜索算法，能够很好地解决n p 问题，可以 应用在m c m 电子组件功耗优化和基于热电模拟理论【n i 上的热阻路径的最优化分 配等方面，无疑为功耗散热设计提供了有力的算法支持。 1 3 本文的主要工作及论文安排 本文主要的研究工作：在对功耗散热理论进行研究的同时，建立并分析了计 算机机箱的温度场模型；对常用的散热器件的特性进行了计算分析；最后，使用 有限差分法建立机箱的热阻网络数学模型，并使用遗传算法进行优化。 全文各章安排如下： 第一章，介绍了课题研究的意义和目前主要的研究方法和现状。 第二章，在研究了功耗散热来源的基础上，从功耗和热分析控制技术两个不 同的角度分析功耗散热主要的设计思想、设计方法或计算方法、设计流程；随后 介绍了求解稳态温度场的数值计算方法。 第三章，设计了多路温度测试平台，在硬件信号调理的基础上，软件实现温 度数据的采集和处理，为后面的散热设计提供必要的测试手段。 第四章，利用热分析软件f l o t h e r m 建立计算机机箱的散热模型和散热器件的 模拟等效热路模型。同时，借助多路温度测试，对其进行模拟仿真试验。 第五章，对遗传算法进行研究，并在热阻网络模型基础上，对其进行优化设 计。 结束语，阐述本文工作的思想、结论以及对今后工作的展望。 6 嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 第二章功耗散热设计技术及温度场求解理论 集成电路工作速度的提高，元件密度的增大，导致系统功耗显著上升。由于 功耗过大是集成电路温度升高、系统可靠性降低的最主要原因。因而在功耗设计 的同时，不得不加入散热设计验证环节。本章在分析了功耗散热的来源问题及其 层次性设计方法的同时，讨论了目前热分析设计及其相关控制技术和温度场的计 算方法、不同情况下的散热规律及相应的稳态散热模型和设计流程等内容。 2 1 功耗散热问题的来源 当前的电子设备中主要以低功耗的m o s 电路为基础，这里就以c m o s 电路 的功耗模型为例阐述功耗散热的本质，这对以后的功耗散热设计及其优化起到了 逐本溯源的作用。 c m o s 集成电路的功耗主要有静态功耗、动态功耗和短路功耗组成。下图2 1 是一个带有负载的c m o s 反相器。它的功耗组成，即 f k k + f ：l i 。+ k ( 2 1 ) 其中j 是在电路翻转时产生的动态功耗，只。是m o s 管开关时p 管和n 管同 时导通时产生的短路功耗，k 是由扩散区和衬底之间的反相偏置漏电流和亚阈 值电流所产成的静态功耗。 图2 1 c m o s 电路结构 2 1 1 静态功耗 静态功耗是由寄生反相p n 结漏电流和亚阈值漏电流产生，这些主要是在工艺 半导体生产过程中就已经决定了的。由于c m o s 器件衬底的寄生效应，m o s 晶体 管的源区或漏区处会形成p n 结，该p n 结的反相电流与半导体工艺、结偏压以及 第一二章功耗散热设计技术及温度场求解理论 7 结温有关。其反向偏置漏电流为： 旦 j 一l 0 一1 ) ( 2 - 2 ) 另外，由于晶体管存在亚阈值，即使晶体管在逻辑上关断了，通道内仍然存 在着漏电流。亚阈值漏电流与工艺、器件数量和沟道宽度有关。其亚阈值电流为： ( 肇兰) 纽 j m w ，e “。( 1 一e “) ( 2 3 ) 这两种漏电流具有相近的特性，大约在p a 数量级，与工艺水平密切相关，随 着温度的升高而急剧增大。那么该m o s 反相器的静态功耗为： k k 蛳一，一+ k ( 2 4 ) 一般地，静态功耗只占整个功耗的极小一部分，对于转换时间非常短的电路 p 乙脚通常情况下不超过1 ；但对于一些转换速度较慢的电路，乙砷可以占到3 0 左右，平均大约在1 0 左右。 2 1 2 动态功耗 动态功耗主要发生在电路节点的频繁转换过程中，由于频繁地对负载电容充 放电因而消耗了一部分功耗。以图2 1 所示c m o s 反相器为例，l 为对负载电容c 工 充放电时的电流。根据电容瞬时充放电的规律，可以推导出负载功耗的计算公式。 设瞬时的充、放电流为f ( f ) ，当输入端口由“0 ”跳变到“1 ”或者由“1 ”跳变到 “0 ”时，负载电容c ，上的电源能耗为： e o 一14 _ o i ( t ) v o o d t ( 2 - 5 ) 由于电容充、放电时，有 f ( f ) 。q 孥，t - 耐，。( 2 - 6 ) 因此，式f 2 5 ) - - 1 以转化为 e o _ - - 上”c l v d d d v o 。c z 嘧 ( 2 7 ) 此时c ，储能为 e c l 一蠡。) v o p 一蠹“c y # v o - 1 2 - c ；d ( 2 - 8 ) 同样地，第f 个节点的平均动态功耗为 一。q c ， ( 2 9 ) 其中q 为动态因子，口：c l 是有效节点电容。 那么，整个电路的总的平均动态功耗为 氏一e ( o 。c 0 0 2 ( 2 - 1 0 ) 嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 从公式可以看出，动态功耗与节点的有效电容、工作电压的平方以及工作频 率成正比。动态功耗占到整个功耗的7 5 8 5 ，是系统功耗的主要来源。 2 1 3 短路功耗 短路功耗是m o s 管开关时p 管和n 管同时导通导致电源到地形成通路造成 的，它与器件的特征尺寸、阈值电压等工艺参数有一定的关系。当c m o s 门发生 电平转换时，也就是从“0 ”跳变到“1 ”或从“1 ”跳变到“0 ”的过程中，会有 一个很短的时间间隔。在这个时间间隔内，c m o s 电路中上拉的p m o s 管和下拉 的n m o s 管都会导通，产生一个窄的从i ，k 至 j g n d 电流脉冲，m ，这个电流将产 生“短路”功耗。当没有外部负载时，。是相对恒定的，但随着输出负载q 的 增大，对电容的充、放电流，。将变大，导致在p m o s 管上功耗变大，所以短路功 耗大小取决于。、转换时间、门的设计以及负载电容c 。短路功耗在整个c m o s 器件的功耗中也只占- d , 部分，约占整个功耗的1 2 - 2 0 剐。对于短路电流，。的 一阶近似分析可以得到，在整个持续器件在消耗的短路功耗为： 一等一砜) 3 ( 2 t 1 ) 其中口- w c 。, g l ，表征晶体管的特征尺寸，r 是输入信号变化持续时间。随着驱 动负载的增加，短路电流反而会减小。 2 2 功耗设计的方法和流程 功耗过高导致温度过高，不仅提高了封装成本，而且对系统可靠性提出了严 峻的挑战，产生了许多新的故障，加大了测试复杂度，提高了测试成本。因此， 在解决电子设备散热问题的时候，首当其冲要解决的就是电子器件的功耗问题， 即低功耗的设计和优化问题。通过解决低功耗设计来达到降低散热量、优化散热 设计的目的。 2 2 1 低功耗设计综述 2 2 1 1 低功耗层次化设计 正如绪论中提到的，目前功耗的设计主要是从五个层次上来考虑的，不同层 次的设计所能够降低的功耗大小也不一样。同样地，所要考虑的研究对象也是不 一样的，比如在考虑电路设计时，就应该着眼于低功耗芯片和器件的选择，布线 布局过程中电路的寄生电容对功耗的影响；在算法级，就要注重选择什么样的指 令集以及算法的优化设计等。但是，某些因素并不是只存在于某一个层次上，比 如为了降低电路的有效翻转率，就可以从不同的层次入手，在系统级设计阶段可 以改变系统的软硬件分工、在算法和结构级设计阶段改变编码方式，在r t l 级阶 第一章功耗散热设计技术及温度场求解理论 9 段使用门控时钟，在逻辑设计阶段改变具体门电路的逻辑安排等。 这些方法最终都可以降低电路的平均翻转率。不同的措施，它们的效果会有 所不同，通过软硬件分工有可能降低电路3 0 的翻转次数，而通过逻辑的重新安 排却只能降低5 的翻转次数；但在确定低功耗系统的软件分工时，需要进行大量 的分析和论证后才能确定有效的体系结构，而逻辑的重新安排却通过功耗优化软 件就可以实现了，因此在进行功耗设计时，可以根据系统的具体要求选择合适的 低功耗设计方法l 引。 根据系统设计和生产考虑的重点不同，系统的功耗设计可以分成如图2 2 所示 的几个层次，其中它们各自功耗设计的侧重点也有所不同。可以看到，系统级主 要考虑体系结构的设计：算法级常采用行为仿真来实现；门级有时候指的就是逻 辑级，一般通过简化电路布尔逻辑关系达到减少门负载的目的：电路级则考虑晶 体管级的功耗设计。通常，研究层次越抽象，功耗节约的就越多。 系统级，体系结构级 算拉级行为级 r t l 级 门缀，逻辑级 电路级，晶体管级 5 0 9 0 4 0 7 0 3 0 5 0 2 0 3 0 i 5 1 0 牛 0 5 0 1 0 0 图2 2 不同层次功耗优化效果 系统级功耗优化主要考虑软硬件协同、功耗管理、d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l e ) 技术【”1 1 ”】、存储器分离等。软硬件尽可能地同步设计，根据所用的算法和技术， 恰当合理的分配软硬件资源；在复杂的数字系统中，系统时i 日j 可能大多数时间都 是在空闲状态，这时候就要运用功耗管理来停止空闲器件的工作；由于动态功耗 与电压的二次方关系，因此d v s 技术是最有力的功耗优化技术，也可以应用在频 率优化方面。文献1 1 4 j 【1 5 1 分别介绍了系统级和算法级的功耗估计，建立了功耗估计 模型，并分别对手持设备p a p e r c l i p 和m p e g 译码器的设计优化验证。从而说明在 初期的功耗设计中，级别越高，功耗优化的空间就越大。 算法级功耗优化主要考虑减少操作数、减少操作路径、资源分配和多电压分 配等，这一层次主要完成策略调度和编码。操作数的减少可以通过控制数据流图 ( c d f g ) ! ”j 减少总的开关电容；多电压分配就是在数据操作的尽可能提高关键路径 上电压，降低非关键路径上模块上的电压。 r t l 级主要考虑资源共享、门控时钟、时序优化【1 7 l 、状态分配以及预计算等。 门控时钟通过控制时钟树上实现工作路径长短来有效降低功耗：时序优化是在流 水线中容易产生毛刺的地方和有大电容负载的地方插入寄存器，可以阻止信号额 1 0嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 外跳变的传播和大电容不必要的充放电；状态分配，主要研究如何使实现的逻辑 面积最小化。对相关性强的状态分配采用汉明距离近的状态编码，以减少状态引 起的电路活动。 门级主要考虑的是公因子提取、工艺映射、门尺寸优化等。逻辑综合中公因 子提取和共享是简化逻辑网络、减少实现电路成本的常用方法；工艺映射是把逻 辑表达式或布尔网络映射到目标库中的门单元的过程。在映射过程中，尽量将活 动因子大的节点隐藏于门单元的内部，从而减少其电容负载，降低功耗：门尺寸 优化，基本思想就是对非关键路径的门可以缩小尺寸以减少面积和功耗【堋。 电路级是可以进行低功耗考虑的最低层次，也就是在具体电路实现采用某些 措施来降低电路的功耗，在这个层次主要可以考虑：逻辑类型的选择、优化工艺 降低电容、电压缩j 、( v o l t a g es c a l i n g ) 等方面。这里的电压缩小是指在具体电路实现 时如何通过降低电路的供电电压来达到降低功耗的目的，是系统级的动态电压管 理的具体实现。 以上数字系统的功耗设计的层次及其研究重点可见下图2 3 l “。 】电镕优化 电路楱拟 算法壤 存嚣传j 皿 电路组 漤 棒 餐j 霉 图2 3 数字电路层次性设计 上述功耗优化设计的层次并不是绝对的，在功耗设计中往往是相互结合、互 为照应的，但是大体上还是按照以上几个层次进行优化设计的。 2 2 1 2 功耗模型 在嵌入式系统功耗设计的不同层次上，不断出现了许多新的功耗分析模型， 通用的比较成功的主要有以下几种模型： ( 1 ) 系统级功耗模型 在高层评估中体系结构级的功耗评估策略主要有两种基于活动和基于翻转的 评估。w a t t c h 刎功耗模型是活动敏感功耗模型的代表，它们以功能单元作为功耗评 估的基本对象，得到各个功能单元的平均功耗最后根据每个功能单元的访问次数 来计算总的功耗【2 l 】。 w a t t c h 作为一个基于活动的体系结构级的功耗估算模型，它的功耗评估是基 麓 气性 篡丽 第一二章功耗散热设计技术及温度场求解理论 1 1 于一套不同硬件结构的参数化的功耗模型以及通过时钟精确模拟产生的资源使用 次数。它主要用于针对低功耗的体系结构研究和编译器研究，精确度误差在1 0 以内。它量化了处理器所有主要单元的功耗，尽量参数化，并集成到高级模拟器 中去，利用s i m p l e s c a l a r 的硬件配置参数作为输入来计算处理器不同部件的功耗 的。优点在于可以通过模拟配置初始化各个器件的功耗开销，有许多可以参考的 设计详图；缺点就是缺少精密的开关活动计数器。 w a t t c h 功耗模型主要包括队列结构、c a m 结构、组合逻辑结构、时钟结构等 四类： 1 队列结构：主要包括数据与指令缓存器，缓存器标签队列，寄存器文件， 寄存器重命名表，分支预测器及指令窗口和大部分读取存储队列。这一类功耗模 型主要反殃了一种较规则的存贮器结构，这种结构中字线和位线消耗了大部分的 功耗，随着端口的增加功耗值也会相应的增长，实际上由于其物理实现可能会有 很大的差异，这一种类器件的功耗建模也是很复杂的。 2 c a m 结构，全相联存储器模型：主要包括了指令窗d 重排序缓冲器唤醒逻 辑，读取存储顺序检查，例如快表等，这一类模型和前面的队列结构十分类似， 但外部端口及译码逻辑相差很多。 3 组合逻辑和逻辑线路：包括一些基本的功能单元，指令窗口选择逻辑，可 靠性检查逻辑及结果总线等，这部分的功耗模型也是最简单的，一般只要通过计 算逻辑门数或线数就可以完成。 4 时钟：主要包括时钟缓冲器，时钟线路及负载电容等【2 2 】。 在c m o s 微处理器中，动态功耗，乙。是功耗的主要来源： p 由一一 ： 。c i ) 嘧厂 ( 2 1 2 ) 口为动态因子，它是一个介于0 和1 之b j 的实数，用来说明时钟引起交换活 动的平均概率，口fc ，是有效节点电容，是供给电压，是时钟频率。可以看出 动态功耗和供电电压的平方成正比，这样电容参数便成为影响功耗最大的因素。 表2 1 关键部件电容参数模型 模块名称电容参数计算方法 c d i f f ( w o r d l i n e l ) r i v e 0 + c g a t c ( c c l i a c e c s s ) n u m b i t l i n c s r c g f d cw o r d l i n c + c m c t a l w o r d l i n e l c n g t h c d i f f ( p c r c h a r g c ) + c d i 砸c c l l a c c c s s ) n u m w d l i n c s r c g f i l cb i t l i n c + c m c t a l b l l c n g t h c g a t c ( c o m p a r c e n ) n u m b c r t a g s + c d i 鲋c o m p a t c d r i v c 0 c a mt a g l i n c + c r u c i a l t l l e n g t h 2 c d i f f ( c o m p a r c e n ) n u m b c r t a g s + c d i f f ( m a t c h p r e c h a r g c ) c a mm a t c h l i n c * c d i 刖m a t c h o r ) + c m c t a l m l l e n g t h r c s u l t b u s5 + c r u c i a l + n u m a l u a l u h c ig l - t + c m c t a l ( r c g f i l e h e l 9 1 l t ) 嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 功耗模型的和，依假设的处理技术而定，在电路和晶体管尺寸的基础上估 计口。g ，对于电路中的一些关键部件，依据表2 1 【纠计算得到它们的电容。依据各 个模块工作时的电路节点翻转的次数、电压、工作频率等参数计算模型的功耗， 主要通过公式( 2 1 2 ) 实现动态功耗的计算，从而实现进一步优化设计。 与w a t t c h 模型相近的还有c a i l i m 模型，其模拟方法基本相似，都可以在 s i m p l e s c a l a r 模拟器中实现；所不同的是前者是基于电容的功耗估计，后者是基于 功耗密度的功耗估计。 ( 2 ) r t l 级功耗模型 r t l 级的功耗模型主要集中在门控时钟和时序优化上。文献 2 3 1 提出了采用时 序优化进行高层次逻辑综合的功耗管理方法，主要是对综合体系中能够影响功耗 管理因子的任务进行观察，在此基础上，合理的限制这些任务的工作避免一些不 必要的操作。这种方法主要是在控制数据流i 羽( c d f g ) 的基础上对电路操作进行寄 存器级的任务模拟，通过寄存器合并，减少流水线上的毛刺现象。文献1 2 4 提出了 r t l 级功耗估计的模型：r e 掣e 豁i 叫b a s e d 模型和s a m p l i n g b a s e d 模型，前者通过 模拟各个元件在高层次设计库中的特征，然后通过对其在电路中的行为模拟或电 路结构的静态分析中抽取其电路参数，根据设计库中基于宏模型的功耗函数，对 其进行功耗估算。后者主要是建立在寄存器级模拟器c o s i m u l a t o r 基础上对模拟器 的输出进行概率的统计，对每一个周期内宏模型的功耗函数进行估算，最后得到 所有的功耗。这两种都是一种有效的功耗估算模型，可以为r t l 级的功耗优化提 供必要的优化参数。文献 2 5 1 提出了一种快速分析组合r t l 模块功耗的方法，经 过建立模块功耗库，可以非常快地计算出任意输入向量驱动的电路功耗，在建模 过程中，使用泰勒级数展开的一阶近似公式，并在建库过程中采用m o m c c a r l o 模 拟方法，具有较高的精确度。 ( 3 ) 逻辑级功耗模型 文献【2 6 】介绍了一种逻辑级功耗分析模型。模型的基本原理主要来自动态功耗 的来源公式( 2 1 2 ) 。在给定的电压和时钟频率的基础上，在布局布线完成后得到负 载电容值。通过计算每个节点的开关活动因子儡得到节点i 的功耗值。将这些值进 行累加就可以得到电路总功耗。 这种模型主要考虑了电路的几个因素：( a ) 信号的相关性，( b ) 电路中门结构， ( c ) 建立了门延迟模型。经过以上分析可以得到如下逻辑级功耗估计问题的描述： 给定一个静态同步c m o s 电路的布尔表达式或者是经过映射后的门级网表，考虑 各种影响因素，通过计算电路中每个节点的开关率来估计电路的平均功耗i 硼。通 过概率估计的方法来实现逻辑级功耗估计。它的基本思想是：考虑影响数字信号 开关率的因素( 信号相关性，门延模型和结构独立性) 之后，建立一个近似的数学型 ( 大多数为基于马尔可夫的随机模型) 。基于这模型从输入流中提取出所需的概率特 第一章功耗散热设计技术及温度场求解理论 征。然后，这些概率特征在电路中传播同时计算出每个电节点的开关率，从而计 算出功耗。图2 4 1 冽给出了用概率方法计算开关率进而得到平均功耗的流程。 输 向量序刑卜叫输 向争分析卜_ 一横率特征 鲑 臣圃i n 鬲习l一 传播计算开关丰 平均功耗 图2 4 逻辑级功耗的概率估计流程 这种方法在逻辑级的功耗估计分析具有一定的精确性，所花费时问也不是很 多，适合小规模电路系统逻辑级的功耗分析。 2 2 2 低功耗设计的流程 目前功耗设计流程主要有两种方式：后馈和前馈。如图2 5 和2 6 。大多数系 统的功耗设计一般应用层次分明的后馈式，在这些系统，可以借助逻辑综合甚至 是布局就可以知道目标体系结构和设计概念，应用后馈式设计流程可以评估系统 的功耗特性。这种门级或者电路级的设计结果分析，会有很长的反馈周期。因此， 功耗的信息特性在设计过程中很晚才可以掌握【删。其设计缺点也很明显，设计信 息是否满足目标功耗规划要求只能在最后一级的优化设计结束后在可以知道，这 样无疑增加了设计时间，反馈环时间太长，因而，提出了前馈式设计流程。 前馈式设计流程中的低功耗设计，首先需要一个目标详细说明，然后建立一 个满足要求的设计体系，通过抽象层次具体优化减小功耗的目的，最后，跟踪验 证是否和最初的目标说明一致。在这种设计方法中，为了估计某些步骤中设计对 象的功耗，许多设计步骤都要用到后馈的设计思想，比如目标体系结构或设计概 念的实现，或门级电路综合以及电路布局。其中那些周期长的、交叉综合、相互 提取的反馈环被一些能够有效提取设计信息的反馈环替代。因此，这种为了降低 抽象级别而反馈的设计方法不可能二次修改，并且在较低抽象级别的分析在设计 中所占的比例很小，但是需要较多的验证操作，例如，体系结构级功耗分析经常 用来确保r t l 综合设计能够满足目标功耗要求。其它前馈的信息包括时钟分布类 型，模块微体系、关键网络节点和总线拓扑等。设计流程的最后，门级和晶体管 级功耗分析还是要验证设计过程是否满足功耗规划要求，其他级别的功耗设计是 否达到了预期的设计结果1 6 j 。而且，这种方法主要是在没计刚开始的时候就尽量考 虑功耗优化问题，在系统级的时候就可以节省很多的功耗，相反地，较低层次的 门级和晶体管级优化就只能节省较少的功耗。 1 4 嵌入式计算机系统功耗散热分析及优化设计 图2 5 后馈式设计流程 系统缀规范 盯l 编码 门级优化 逻辑级功耗分析 晶体管级功耗优化 晶体蕾级功耗分析 系统轾功耗优化 系统级功耗分析 r t l 优化 r t l 功耗分析 逻辑级功耗优化 型预期目墁! 逻辑级功耗分析 物珲设计l晶体蕾缓功耗优化 型翌竺! 堡： 晶体管级功耗分析 是l 图2 6 前馈式设计流程 2 3 热分析及其控制技术 2 3 1 热分析设计策略研究 热设计是指对设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设 计进行分析，以及对它们的温升进行控制，从而保证设备或系统的正常、可靠的 工作。热分析的目的是以最好经济效益获得热设计所需的准确信息。热分析不消 耗硬件，比热测试成本要低。 对于电子设备的热分析有两个重要的要求： ( 1 ) 预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度； ( 2 ) 使热设计最优化，以提高可靠性。 常见的热分析及其设计有：散热器、冷板、风冷、传导、辐射、相变和热电制 冷等几种。下面是系统设计中常用的几种比较有效的散热方式。 2 3 1 1 冷板制冷 电子设备用的冷板是一种单流体( 空气、水或其它制冷剂) 的热交换器，作为电 子设备的换热装置。在目前电子设备热设计中，尤其是对于中、高功率密度的设 备，冷板可以有效地带走功率器件、印刷板组装件或分机设备中的功耗散热量。 它的温度梯度小，热分析均匀，可带走较大的集中热负载；采用间接制冷方式， 减少各种污染，提高工作的可靠性。与直接冷却相比，冷却剂的耗损小，同时也 便于采用较有效的冷却剂，提高冷却效率。 2 3 1 2 相变冷却 蓦裹濡 等莓 篓擎 第一二章功耗散热设