在處理器中實施功率消耗占空比的制作方法
【專利說明】在處理器中實施功率消耗占空比
[0001] 背景
[0002] 半導體加工和邏輯設計的發(fā)展已允許可存在于集成電路器件上的邏輯的量增加。 因此，計算機系統(tǒng)配置已經從系統(tǒng)中的單個或多個集成電路進化至各個集成電路上的多個 硬件線程、多個核、多個設備和/或完整的系統(tǒng)。此外，隨著集成電路密度增長，計算系統(tǒng) (從嵌入式系統(tǒng)到服務器）的功率需求也逐步提高。此外，軟件低效率及其對硬件的要求也 已造成了計算設備能耗的提高。事實上，一些研宄表明計算設備消耗了國家（諸如美國） 的整個電力供應中的顯著百分比。因此，存在對與集成電路相關聯(lián)的能效和節(jié)能的關鍵需 求。當服務器、桌面型計算機、筆記本、超級本、平板電腦、移動電話、處理器、嵌入式系統(tǒng)等 變得甚至更為盛行（從包括在典型計算機、汽車和電視機中到包括在生物技術中），這些需 要將增加。
[0003] 對于諸如處理器（用于服務器以及客戶端系統(tǒng)中的）之類的集成電路的功率管理 基于對當前處理器功率消耗的估計。處理器的各種組件可能具有它們的被調制成保持在指 定的功率極限內的電壓以及頻率。這如此，因為計算機平臺中的電源單元（PSU)對它們可 以提供的峰值功率有非常具體的限制。這些PSU通常具有可以無限地/連續(xù)地維持的熱可 持續(xù)的功率級別，以及只能維持具體的持續(xù)時間和占空比的較高電可持續(xù)的功率級別。在 熱有效的時間段由電源提供的平均功率不會超出熱可持續(xù)的級別。將電源尺寸設計得過大 以應對最壞情況會增大尺寸、成本以及效率，而將電源尺寸設計得過小會導致災難性的后 果。
[0004] 附圖簡述
[0005] 圖1是根據本發(fā)明一個實施例的系統(tǒng)的框圖。
[0006] 圖2是根據本發(fā)明一實施例的方法的流程圖。
[0007] 圖3是根據本發(fā)明的一實施例的用于存儲用于占空比控制的各種配置及其他值 的存儲器的框圖。
[0008] 圖4是根據本發(fā)明的一個實施例的占空比實施技術的圖解說明。
[0009] 圖5是根據本發(fā)明的一個實施例的占空比實施技術的另一個圖解說明。
[0010] 圖6是根據本發(fā)明一實施例的處理器的框圖。
[0011] 圖7是根據本發(fā)明的另一個實施例的多域處理器的框圖。
[0012] 圖8是根據本發(fā)明一實施例的系統(tǒng)的框圖。
【具體實施方式】
[0013] 在各實施例中，提供了一種基于處理器的機制，用于以保證的方式對處理器的功 率消耗實施約束，以便允許適當大小的額定峰值電源用于提供電能。為此，各實施例實施這 樣的約束，處理器的功率消耗和動態(tài)范圍擴展到接近于，但是保證不超出電源的設計限制。
[0014] 如此，處理器被配置有它試圖被調節(jié)到的限定的功率極限。防止高于此功率極限 的最壞情況功率偏移具有尚于限定的最大功率級別Pmax的大小。此外，還防止尚于功率極 限的此最壞情況功率偏移具有長于最壞情況持續(xù)時間Tl的峰值時間。此外，也沒有高于限 定的功率極限的功率偏移可以具有長于持續(xù)時間T2的持續(xù)時間。以及，高于功率極限的 任何偏移限于不高于d%的占空比（高于極限的時間/總時間，time_above_limit/total_ time)。通過利用上面的約束操作處理器，額定峰值電源可以接近于其設計限制地操作，無 需不必要防護帶（額外費用），或如果違反設計限制，不會產生電氣故障（額外的風險）。
[0015] 雖然本發(fā)明的范圍在這方面不受限制，但是，如此處所描述的占空比控制可以通 過固件、硬件、軟件，以及其組合來實現(xiàn)，如此，對于高于限定的功率極限的所有偏移，實施 固定的占空比和最長持續(xù)時間。
[0016] 現(xiàn)在參考圖1，所示是根據本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)的一部分的框圖。如圖1所示， 系統(tǒng)100可以包括各種組件，包括處理器110,如圖所示，該處理器110是多核處理器。處理 器110可以通過外部電壓調節(jié)器160耦合到電源150,該調節(jié)器160可以執(zhí)行第一電壓轉 換，以向處理器110提供初步被調節(jié)的電壓。
[0017] 可以看出，處理器110可以是包括多個核1203-120"的單管芯處理器。另外，每一 個核還可以與單個電壓調節(jié)器125a-125n相關聯(lián)。相應地，可以提供完全集成的電壓調節(jié)器 (FIVR)實現(xiàn)，以允許對每一個單個核的電壓進行細粒度的控制，因而對功率和性能進行細 粒度的控制。如此，每一個核都可以在獨立電壓和頻率下操作，允許大靈活性，并提供用于 平衡功率消耗與性能的廣泛的機會。
[0018] 仍參考圖1，額外的組件可以存在于處理器內，包括輸入/輸出接口 132、另一接口 134以及集成的存儲器控制器136?？梢钥闯?，這些組件中的每一個都可以由另一集成的電 壓調節(jié)器125x來供電。在一個實施例中，接口 132可以符合Intel?"決速路徑互連（QPI)協(xié) 議，該協(xié)議在高速緩存一致性協(xié)議中提供點對點（PtP)鏈路，該高速緩存一致性協(xié)議包括 多個層，包括物理層、鏈路層以及協(xié)議層。接口 134又可以符合外圍組件互連快速（PCIe?) 規(guī)范，例如，PCIExpress?規(guī)范基礎規(guī)范版本2. 0 (2007年1月17日）。
[0019] 還示出了功率控制單元（P⑶)138,該功率控制單元（P⑶)138可包括對于處理器 110執(zhí)行功率管理操作的硬件、軟件和/或固件。在各實施例中，PCU138可包括根據本發(fā)明 的一個實施例執(zhí)行占空比控制，以將高于限定的功率極限的偏移限制到操作周期的一部分 和有限的持續(xù)時間的邏輯。此外，P⑶138還可以通過專用接口耦合到外部電壓調節(jié)器160。 如此，P⑶138可以指示電壓調節(jié)器向處理器提供請求的被調節(jié)的電壓。另外，電壓調節(jié)器 160可以向處理器提供關于其電流輸送的信息。在不同的實現(xiàn)中，電壓調節(jié)器160可以將此 信息存儲在PCU訪問的電壓調節(jié)器的寄存器中?；蛘?，位于電壓調節(jié)器160中的或者位于電 壓調節(jié)器160和P⑶138之間的路徑上的電流傳感器可以提供此信息。此電流信息和對應 的功率消耗確定（例如，通過P⑶的功率檢測器）可以被占空比控制器（諸如P⑶138的 功率偏移邏輯）用來基于處理器的功率消耗，限制高于限定的功率消耗級別的偏移。如此， 基于電壓調節(jié)器的電流傳感器可以直接測量由電壓調節(jié)器160向處理器供應的電流。當乘 以供電電壓時，這會提供處理器功率消耗的測量值。
[0020] 盡管為便于說明未示出，但是，可以理解，額外的組件可以存在于處理器100內， 諸如非核邏輯、及其他組件，諸如內部存儲器，例如，一個或多個級別的緩存存儲器層次結 構等等。此外，盡管在圖1的實現(xiàn)中是利用集成的電壓調節(jié)器示出的，但是，各實施例不是 限制性的。
[0021] 盡管下面的實施例是參照例如計算平臺或處理器的特定集成電路中的節(jié)能和能 效來描述的，然而其它實施例適用于其它類型的集成電路和邏輯器件。在此描述的實施例 的相似的技術和教導可適用于也可受益于更好能效和節(jié)能的其它類型的電路或半導體器 件。例如，所披露的實施例不限于任何具體類型的計算機系統(tǒng)，并也可用于其它設備，例如 手持設備、芯片上系統(tǒng)（SoC)以及嵌入式應用。手持設備的一些例子包括蜂窩電話、互聯(lián)網 協(xié)議設備、數字相機、個人數字助理（PDA)和手持PC。嵌入式應用一般包括微控制器、數字 信號處理器（DSP)、網絡計算機（上網本）、機頂盒、網絡集線器、廣域網（WAN)交換機或能 執(zhí)行下面教示的功能和操作的任何其它系統(tǒng)。此外，本申請中描述的裝置、方法和系統(tǒng)不限 于物理計算設備，而是也涉及用于節(jié)能和能效的軟件優(yōu)化。如將在以下描述中變得顯而易 見的，本文描述的方法、裝置和系統(tǒng)的實施例（無論是關于硬件、固件、軟件還是它們的組 合）對于"綠色技術"未來是至關重要的，諸如對于包含US經濟大部分的產品的節(jié)能和能 量效率。
[0022] 注意，此處所描述的功率控制可以獨立于基于操作系統(tǒng)（OS)的機制，諸如高級配 置和平臺接口（ACPI)標準（例如，2006年10月10日發(fā)布的Rev. 3.0b)，并與其互補。根 據ACPI，處理器可以操作在各種性能狀態(tài)或級別，S卩，從PO到PN。一般而言，Pl性能狀態(tài)可 以對應于可以由OS請求的最高保證的性能狀態(tài)。除此Pl狀態(tài)之外，OS還可以請求較高性 能狀態(tài)，即，PO狀態(tài)。如此，此PO狀態(tài)可以是機會性狀態(tài)，其中，當有電能和/或熱預算可 用時，處理器硬件可以配置處理器或其至少一些部分，以便以高于保證的頻率操作。在許多 實現(xiàn)中，處理器可包括多個所謂的高于保證的最大頻率（也被稱為Pl頻率）的元頻率（bin frequency)。通過控制如此處所描述的某些處理器參數，OS請求的性能級別可以不被允許 發(fā)生，以實施功率輸送系統(tǒng)約束。
[0023] 作為可以執(zhí)行的占空比控制的一個示例，可以維持動態(tài)頻率極限，該動態(tài)頻率極 限是