用于管理處理器的能量使用的裝置和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于管理處理器的能量使用的裝置和方法
[0001] 背景
[0002] 半導(dǎo)體處理和邏輯設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步已經(jīng)允許集成電路器件上可存在的邏輯量的 增加。結(jié)果，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置已經(jīng)從系統(tǒng)中的單個(gè)或多個(gè)集成電路發(fā)展成個(gè)體集成電路上 的多個(gè)硬件線(xiàn)程、多個(gè)核、多個(gè)設(shè)備和/或完整的系統(tǒng)。另外，隨著集成電路的密度的增長(zhǎng)， 計(jì)算系統(tǒng)（從嵌入式系統(tǒng)到服務(wù)器）的功率需求也逐步上升。此外，軟件低效及其硬件要 求也已經(jīng)引起計(jì)算設(shè)備能量使用的增加。事實(shí)上，一些研宄指出，計(jì)算設(shè)備消耗一國(guó)家，例 如美國(guó)，的全部電力供應(yīng)的相當(dāng)大的百分比。結(jié)果，存在對(duì)與集成電路相關(guān)聯(lián)的能效和節(jié)能 的迫切需要。這些需要將隨著服務(wù)器、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本、超極本?、平板、移動(dòng)電話(huà)、處理 器、嵌入式系統(tǒng)等等變得甚至更加流行（包含在從典型計(jì)算機(jī)、汽車(chē)和電視機(jī)到生物科技 中）而增加。
[0003]為了在低活躍時(shí)期期間節(jié)能，可以使得處理器置于空閑功率狀態(tài)，例如根據(jù)高級(jí) 配置和功率接口（ACPI)標(biāo)準(zhǔn)（例如于2011年11月公布的修訂版5.0)的比在處理器處于 活躍狀態(tài)時(shí)消耗較少功率的狀態(tài)C1到CN中的一種。
[0004] 附圖簡(jiǎn)述
[0005] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的系統(tǒng)的框圖。
[0006] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的電壓衰減圖。
[0007] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的電壓-時(shí)間圖。
[0008]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的流程圖。
[0009] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的處理器的框圖。
[0010] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的多域處理器的框圖。
[0011] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的系統(tǒng)的框圖。
[0012] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的組件的框圖。
[0013] 詳細(xì)描述
[0014]在各種實(shí)施例中，可以把處理器從活躍狀態(tài)，例如C0,置于空閑功率狀態(tài)，例如諸 如C1-CN狀態(tài)中的一個(gè)之類(lèi)的低功率狀態(tài)。把處理器置于空閑功率狀態(tài)通常包括減少包括 處理器和去耦電容的系統(tǒng)的電壓?？梢杂煽刂仆ǔＭ庵糜谔幚砥鞯碾妷赫{(diào)節(jié)器（VR)的電 壓調(diào)節(jié)器控制器來(lái)主動(dòng)管理電壓減少。電壓減少也可以通過(guò)被動(dòng)減少電壓來(lái)完成，例如，通 過(guò)釋放處理器和電容器中所存儲(chǔ)的電荷。在一些情形中，處理器電壓被動(dòng)減少到穩(wěn)態(tài)空閑 電壓，例如，在電壓減少時(shí)期期間關(guān)閉電壓調(diào)節(jié)器（或減少操作電壓）和/或減少其他處理 器電路的工作能力可以得到能量成本的減少。
[0015]然而，當(dāng)要把處理器恢復(fù)到活躍狀態(tài)時(shí)，需要激活電壓調(diào)節(jié)器和/或處理器電路。 例如，VR可以具有關(guān)聯(lián)的VR重新激活的能量成本。在一些環(huán)境中，VR重新激活/電路恢 復(fù)的能量成本超過(guò)了通過(guò)在電壓減少期間關(guān)閉VR(或減少操作電壓）（或減少電路操作容 量）節(jié)省的能量成本。在各種實(shí)施例中，在處理器內(nèi)的能量成本預(yù)測(cè)邏輯可以預(yù)測(cè)與第一 功率更改計(jì)劃相關(guān)聯(lián)的第一能量成本，第一功率更改計(jì)劃包括被動(dòng)電壓減少、在空閑功率 狀態(tài)（例如低功率狀態(tài)C3)期間維持處理器電壓、和電壓恢復(fù)（它可以包括從減少操作電 壓到完全操作電壓和/或處理器電路重新激活到完全操作的VR激活或恢復(fù)）。能量成本預(yù) 測(cè)邏輯可以把第一預(yù)測(cè)能量成本同與第二功率更改計(jì)劃相關(guān)聯(lián)的第二預(yù)測(cè)能量成本進(jìn)行 比較，第二功率更改計(jì)劃包括活躍電壓減少、在空閑功率狀態(tài)期間維持處理器電壓、和電壓 恢復(fù)（無(wú)需能量成本，例如，以便重新激活VR或處理器電路）。至少部分地基于這種比較， 能量成本預(yù)測(cè)邏輯可以選擇具有較小關(guān)聯(lián)能量成本的功率更改計(jì)劃?？梢愿鶕?jù)所選擇的功 率更改計(jì)劃執(zhí)行處理器功率水平的更改，例如，電壓減少到空閑電壓、在空閑時(shí)期期間維持 空閑電壓、和電壓恢復(fù)。
[0016] 盡管本發(fā)明的范圍不限于此，但可以經(jīng)由固件、硬件、軟件及其組合例如經(jīng)由可以 外置于或內(nèi)置于處理器的電壓控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)在此描述的深度低功率狀態(tài)重新進(jìn)入控制。
[0017] 現(xiàn)在參考圖1，所示出的是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)的一部分的框圖。如圖1中 所示出的，系統(tǒng)100可以包括各種組件，包括處理器110,如所示出的，處理器110是多核處 理器。處理器110可以經(jīng)由外部電壓調(diào)節(jié)器160耦合到電源150,外部電壓調(diào)節(jié)器160可以 執(zhí)行第一電壓轉(zhuǎn)換以便向處理器110提供主要經(jīng)調(diào)節(jié)電壓。
[0018] 如圖可見(jiàn)，處理器110可以是包括多個(gè)核1203-120"的單管芯處理器。另外，每一 核可以與各個(gè)電壓調(diào)節(jié)器125 a-125n相關(guān)聯(lián)。因此，可以提供集成電壓調(diào)節(jié)器（IVR)實(shí)現(xiàn)以 便允許電壓的細(xì)粒度控制，且因而允許每一個(gè)核的功率和性能的細(xì)粒度控制。
[0019] 仍然參見(jiàn)圖1，附加的組件可以出現(xiàn)在處理器內(nèi)，這些組件包括輸入/輸出接口 132、另一接口 134和集成存儲(chǔ)器控制器（MC) 136。如圖可見(jiàn)，這些組件中的每一種都可以 由另一集成電壓調(diào)節(jié)器125x供電。在一種實(shí)施例中，接口 132可以按照英特爾⑧快速通道 互連（QPI)協(xié)議，該協(xié)議提供高速緩存相干協(xié)議中的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PtP)鏈路，其包括多個(gè)層，包 括物理層、鏈接層和協(xié)議層。接口 134又可以按照高速外圍組件互連（PCIe?)規(guī)范，例如， PCI Express?規(guī)范基本規(guī)范2. 0版（2007年1月17日公布）。
[0020] 還示出的是功率控制單元（P⑶)138,它可以包括執(zhí)行關(guān)于處理器110的功率管理 操作的硬件、軟件和/或固件。在各種實(shí)施例中，PCU 138可以包括用于根據(jù)本發(fā)明的一種 實(shí)施例執(zhí)行關(guān)于封裝低功率狀態(tài)進(jìn)入和重新進(jìn)入的操作的邏輯。此外，PCU 138可以經(jīng)由 專(zhuān)用接口耦合到包括電壓調(diào)節(jié)器控制器162的外部電壓調(diào)節(jié)器160。以這種方式，P⑶138 可以指示電壓調(diào)節(jié)器160 (例如，經(jīng)由電壓調(diào)節(jié)器控制器162)向處理器110提供所請(qǐng)求的 經(jīng)調(diào)節(jié)電壓。在一種實(shí)施例中，VR控制器162可以是微控制器，例如基于8051的控制器或 被配置為執(zhí)行可編程指令的其他此類(lèi)控制器。
[0021] 盡管為便于闡釋未示出，但應(yīng)理解，附加的組件可以出現(xiàn)在處理器110內(nèi)，例如非 核邏輯和其他組件，例如內(nèi)部存儲(chǔ)器，例如一級(jí)或多級(jí)的高速緩存存儲(chǔ)器分層等等。此外， 盡管在圖1的實(shí)現(xiàn)中借助于集成電壓調(diào)節(jié)器示出，但各實(shí)施例不限于此。并且，還應(yīng)理解， 盡管圖1中所示出的實(shí)施例是針對(duì)還包括集成圖形引擎的多核處理器，但其他實(shí)現(xiàn)可以結(jié) 合不包括圖形引擎（或僅包括單個(gè)這樣的圖形引擎）且不包括集成VR的單核處理器和/ 或多核處理器使用。
[0022] 盡管參照例如計(jì)算平臺(tái)或處理器的特定集成電路中的節(jié)能和能效來(lái)描述了下面 的實(shí)施例，但其他實(shí)施例適用于其他類(lèi)型的集成電路和邏輯器件。在此描述的實(shí)施例的相 似的技術(shù)和教導(dǎo)可應(yīng)用于也可受益于更好的能效和節(jié)能的其他類(lèi)型的電路或半導(dǎo)體器件。 例如，所公開(kāi)的實(shí)施例不限于任何具體類(lèi)型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并也可用于其他設(shè)備，例如手持 式設(shè)備、芯片上系統(tǒng)（SoC)以及嵌入式應(yīng)用。手持式設(shè)備的一些例子包括蜂窩電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng) 協(xié)議設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA)和手持式PC。嵌入式應(yīng)用一般包括微控制器、數(shù) 字信號(hào)處理器（DSP)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)（NetPC)、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)集線(xiàn)器、廣域網(wǎng)（WAN)交換機(jī)或能 執(zhí)行下面教示的功能和操作的任何其他系統(tǒng)。此外，在此描述的裝置、方法和系統(tǒng)不限于物 理計(jì)算設(shè)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(jiàn)的， 本文描述的方法、裝置和系統(tǒng)的實(shí)施例（無(wú)論是關(guān)于硬件、固件、軟件還是它們的組合）對(duì) 于"綠色技術(shù)"未來(lái)是至關(guān)重要的，例如對(duì)于包含美國(guó)經(jīng)濟(jì)大部分的產(chǎn)品的節(jié)能和能量效率 是至關(guān)重要的。
[0023] 注意，與在此描述的一個(gè)或多個(gè)電壓調(diào)節(jié)器相關(guān)聯(lián)的功率控制可以獨(dú)立于基于操 作系統(tǒng)（0S)的機(jī)制，例如ACPI標(biāo)準(zhǔn)，并且是對(duì)基于操作系統(tǒng)（0S)的機(jī)制的補(bǔ)充。至于功 率狀態(tài)，ACPI指定不同的功率使用狀態(tài)，通常被稱(chēng)為C狀態(tài)，即C0、C1到Cn狀態(tài)。當(dāng)核活 躍時(shí)，它運(yùn)行在C0狀態(tài)，并且當(dāng)核空閑時(shí)，可以將其置于核低功率狀態(tài)，也被稱(chēng)為核非零C 狀態(tài)（例如，C1-C6狀態(tài)）。
[0024] 當(dāng)多核處理器的所有核都處于核低功率狀態(tài)時(shí)，處理器可以被置于封裝低功率狀 態(tài)，例如封裝C6低功率狀態(tài)，它是深度低功率狀態(tài)，其中關(guān)閉了包括鎖相環(huán)（PLL)的某些時(shí) 鐘產(chǎn)生電路（例如，非核部分中的PLL)，減少了非核電壓軌的內(nèi)部電壓，且把核高速緩存和 核狀態(tài)清