解决DSP设计面临的终极挑战 （转）

多年来，数字信号处理器 ([color=rgb(68, 68, 68) !important]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

•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/Area versus Silicon Technology

功率/面积与硅技术

Power crisis 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

An unused module can be disabled anytime using an enable signal. Associated logic and clock trees contained in a disabled module will therefore stop consuming power.

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。

An unused module can be disabled anytime using an enable signal. Associated logic and clock trees contained in a disabled module will therefore stop consuming power.

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。

module0 is enabled

module0 已激活

module1 is enabled

module1 已激活

module2 is disabled

module2 被禁用

mclk is grounded

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。

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