מגמות הספק מצביעות על ידע של אינטגרציה

מאת: טקסס אינסטרומנטס

תוך כדי המעבר שעשתה טכנולוגיית נצילות ההספק אל הדור החדש, היא הפכה להיות מתוחכמת יותר — תלויה יותר ויותר בפעילות הגומלין שבין המעגלים המשולבים [IC]. לדור הבא של טכנולוגיית נצילות ההספק יידרשו מנות רציניות יותר של אינטגרציה של ידע מוסדי.
מראה כוללני ברמת המערכת של ניהול הספקים ושל טכנולוגיות שבבים שמתקדמות כל הזמן, הופך להיות חשוב במידה גוברת והולכת, והוא מגביר את הצורך בשיחות פתוחות ובשיתוף פעולה בין מתכנני מעבדי DSP, מערכות SoC, יחידות MCU ומתכנני ניהול הספקים אנלוגיים.
בנוסף, חברות מוליכים למחצה חייבות למצוא דרכים שבהן יוכלו מתכנני המערכות להפיק תועלת מהטכניקות המתוחכמות שמובנות בשבבים. אחרת, לא ניתן יהיה לשלוף מהמערכת את כל הפוטנציאל הקיים של חיסכון אנרגיה.
מנקודת מבט של תכנון מערכת, על הרכיבים לעבוד יחד, ברמה גבוהה מאוד של תחכום, כבר בשלב התכנון של מערכות SoC או של מעבדי DSP. מתכננים שעוסקים בתכנון של יחידות MCU ושל ספקי כוח אנלוגיים יכולים להוסיף תובנות רבות ערך לצוות של מתכנני מערכות SoC או למתכנני DSP.
ככל שמתפתחים מאפייני המוצר ועולות דרישות הצרכן, הצורך לעשות יותר עם פחות, לא משתנה לעולם. לטכנולוגיית המוליכים למחצה יש תפקיד חשוב בשימור אנרגיה על ידי שילוב בין נצילות לחוכמה. הוספת נצילות לשבבים ולתכנוני מערכות שמשולבים במוצרים שבהם אנו משתמשים מדי יום ביומו, מסייעת בהסרת חלק מהעול מעל הצרכן.
המעבר מצומתי תהליכים ב–90 ננו–מטר לתהליכים ב–65 ננו–מטר וב–45 ננו–מטר הביא ליצירת שבבים בעלי הספק נמוך יותר בהרבה, מפני שאותם שבבים בעלי צפיפות גבוהה יותר פועלים במתחים נמוכים יותר וההספק משתנה בתלות בריבוע המתח. ואולם, במעבר זה גלומה פשרה, מאחר ששכבות הבידוד הדקות יותר של התהליכים המתקדמים מאפשרות זרם זליגה גבוה יותר, כאשר מעגל מסוים נמצא במצב שקט.
על מנת לשלוט בהפסדי הספק הנוצרים בזרמים פעילים במהלך פרקי זמן שבהם מעבד DP, מעבד יישומים או מערכת על שבב [SoC] אינם מוסיפים ערך פונקציונלי, מתכנני המעגלים המשולבים המציאו טכניקות, כדוגמת מיתוג אותות השעון, אשר מאפשר להעביר למצב כבוי חלקים נבחרים של השבב כאשר אינם בשימוש.
אפשר להגיע לתוצאות משמעותיות יותר על ידי כיבוי השבב כולו כאשר אינו נמצא בשימוש על ידי המערכת. על אף שטכניקה זו יעילה, נדרש לה לעיתים תיווך של יחידת MCU בעלת צריכת הספק נמוכה במיוחד. בנוסף, נדרש קישור הדוק ביותר של יחידת MCU אל מערכת SoC, מפני שכאשר נוצר מצב שבו למערכת יש צורך בהפעלה של השבב הגדול יותר, הוא צריך להתרחש באופן מיידי ומערכת SoC אף היא חייבת להתעורר במהירות.
על אף שטכניקות אלו ממשיכות להיות בעלות ערך רב, קיימות גישות מגוונות נוספות שיכולות להגדיל את החיסכון בהספק.
למשל, טכנולוגיית Smart Reflex שלTexas Instruments, מנצלת את השינויים בפינות התהליך ומנטרת את פעילות של ההתקן, את מצב הפעולה ואת הטמפרטורה שלו בצומתי הסיליקון. נתונים אלו מאפשרים למתכנני מערכות לבצע אופטימיזציה של נצילות ההספק, על ידי כוונון דינמי של המתח והתדירות. טכנולוגיית Smart Reflex יכולה גם לתאם את השימוש בהספק בשבבים מרובי ליבות במטרה לקצץ בהספק ברמת השבב.

תיאום בין שבבים
על אף שהתפתחויות רבות בנושא הספקים מומשו באמצעות מעבדי DSP ומערכות SoC, הם, על פי הגדרתם, התקנים בעלי מספר רב של שערים. בתלות במחזור הפעולה, ייתכן לפעמים שיעיל יותר מבחינת ההספק להעביר פונקציות מסוימות אל מחוץ לשבב, למשל, על ידי שימוש ביחידת MCU בעלת הספק הנמוך לפיקוח על המערכת. אלא שבמקרה כזה, יש לעמוד בשתי דרישות: (1) התקשורת בין השבבים חייבת להיות מהירה, אמינה ויעילה, (2) יחידת MCU חייבת לפעול בהספק נמוך במיוחד ולהציע זמני התעוררות וכיבוי מהירים.
מערכות שבהן נדרשות פונקציות פשוטות שפועלות תמיד, הופכות להיות לעתים קרובות בעלות נצילות גבוהה יותר בהספק, אם משימות אלו מבוצעות על ידי יחידת MCU נלווית, במקום על ידי מערכת SoC או מעבד DSP בעלי מספר רב של שערים. פונקציות מערכתיות או פונקציות פיקוח נוספות כאלו כוללות:
ניטור ספק הכוח ואתחולו
יצירת רצף מתחי אספקה
שמירה על אות שעון זמן אמת
ניהול ממשק אדם
* ניהול סוללה
* ניהול תצוגה
למעבדי DSP יש בדרך כלל קווי מתח מרובים, שאותם יש לחבר ברצף בעת ההפעלה, כדי לקבל פעולה תקינה. ברמת המערכת, ניטור ספק הכוח, פיקוח על האתחול ויצירת רצף מתחי הספק, הם פונקציות פיקוח בסיסיות, שלעתים קרובות מטופלות על ידי התקן בעל פונקציה קבועה. על מתכנני מערכות לקחת בחשבון ארבע תכונות חשובות בעת בחירת מעבד DSP עבור תכנון מוצר בהספק נמוך.
* לבחור בזיכרון גדול על השבב.
* לבחור במעבד DSP עם דרגה גבוהה של שליטה על התקנים היקפיים, מפני שזו מתורגמת ישירות לחיסכון נוסף בהספק.
* לבחור מעבד DSP שמציע מצבי המתנה מרובים.
* לבחור מעבד DSP שמציע תוכנת פיתוח שמתוכננת במיוחד לביצוע אופטימיזציה של ניצול הספק ולהקטנת צריכת ההספק עד למינימום.
על אף שהתקנים אלו של הפונקציה הקבועה שימושיים לניהול הספקים עבור מעבדים, אין הם יכולים לבצע כל פעולה אחרת עבור המערכת, ובעיקר אין הם יכולים לכבות את המעבד הראשי כאשר אין בו צורך. החלפת ההתקן ביחידת MCU קטנה ובעלת הספק נמוך תספק את היכולת הנוספת של ניהול הספקים של המעבד הראשי, במקביל למימוש פונקציות של יצירת רצף מתחי האספקה, ניטור ופיקוח ברמת המערכת.
בעת בחירת יחידת MCU כמעבד מפקח, מתכנני המערכות צריכים לקחת בחשבון את טכנולוגיית התהליכים ואת מתח ההפעלה. ואולם, הארכיטקטורה של יחידות MCU יכולה להיות חשובה באותה מידה. במובנים רבים, אותם כללי אופטימיזציית הספק ישימים ליחידות MCU, למערכות SoC או למעבדי DSP.
יחידות MCU צריכות למשל להציע:
* כמות מספיקה של זיכרון על השבב כדי להקטין באופן משמעותי את הגישה לנתונים, או אף לבטל אותה לחלוטין
* בלוקים אנלוגיים משולבים שאינם מלווים בפגיעה בביצועים האנלוגיים
* יכולת להפעיל ולכבות את ההתקנים ההיקפים שלהם
* יכולת גישת DMA כאשר נתונים מועברים לפנים ולאחור
יכולת גישת DMA חשובה במיוחד מפני שכמות משמעותית של אנרגיה יכולה להתבזבז כאשר יחידת MCU אוספת דגימות ממיר ADC בלבד, או מעבירה נתונים. יכולת גישת DMA מאפשרת לממיר ADC לאחסן דגימות נתונים באופן ישיר בזיכרון ומאפשרת ליחידת MCU לעבור למצב המתנה, עד אשר מספר הדגימות הדרוש יבוצע. לאחר מכן, יחידת MCU מתעוררת ומעבדת את הדגימות וחוזרת למצב המתנה במהירות האפשרית.
אחת ההמצאות האחרונות עבור יחידות MCU בהספק נמוך, למשל עבור הדור חדש של יחידות MCU של TI, MSP430F5xx, היא היכולת לכוונן את מתחי הליבה ואת מהירות אות השעון באופן דינמי לפי עומס העיבוד. כפי שנאמר, ההספק של יחידת MCU יחסי לריבוע המתח ומהירות אות השעון המרבית של יחידת MCU יחסית למתח הליבה. במהלך הזמנים של עומסי עיבוד גדולים או קטנים, יכול המשתמש לבצע אופטימיזציה של ההספק יחידת MCU על ידי שינוי מדורג של מהירות אות השעון ושל מתח הליבה, תוך כדי פעולה.
פעולת הגומלין בין מערכות SoC, מעבדי DSP וספקי הכוח שלהם, היא נושא בעל חשיבות גבוהה ביותר ברמת מערכת, הן מבחינת צריכת ההספק והן מבחינת ביצועי המערכת. אספקה של מתח גדול מדי מבזבזת אנרגיה וכאשר המתח נמוך מדי הביצועים נפגעים.
כדי לקבוע את הערך של אספקת המתח כך שיתאים באופן מושלם לצרכים הגדולים ביותר של המעגל המשולב, יש צורך בידע מפורט של העומס המרבי על מעבד DSP במתח מרבי. עם זאת, מידע זה אינו זמין בדרך כלל, עד לשלבים המאוחרים ביותר של מחזור התכנון של מעבד DSP.
רצפי הכיבוי וההפעלה דורשים אף הם התאמה מדויקת. מאחר שלמערכות SOC ולמעבדי DSP יש קווי אספקת מתח מרובים שאותם צריך להפעיל ברצף מסוים, חייב ספק הכוח להגיב לשינויי סטטוס בתוך פרק הזמן הנדרש על ידי השבב הגדול יותר. ניסיונות רבים מבזבזים הספק ופוגעים בביצועים.
מעגלים משולבים לניהול הספקים והרכיבים הקשורים להם ממשיכים להיות יעילים יותר באמצעות שיפור טכנולוגיית התהליכים ומצבי פעולה להספק נמוך, אשר מאפשרים הפסדים קטנים יותר במעגל המשולב לניהול הספקים עצמו. לדוגמה, שיפורים בטכנולוגיית תהליכים מאפשרים להתנגדות נמוכה יותר של מתגי ההספק, ולקיבולי שערים קטנים יותר, ולזרמי זליגה קטנים יותר, להקטין את הפסדי ההתנגדות והמיתוג, ואת זרמי הממתחים והשקט, בהתאמה. לדוגמה, בסוגים אלו של התקדמות משתמשים כדי להפחית את צריכת ההספק במעבדי DSP ובמעבדי היישומים החדשים ביותר להספק נמוך של TI, אשר מנצלים עד כדי שליש מההספק של התקנים קודמים.

על אודות המחברים
ליאון אדמס [Leon Adams] הוא מנהל השיווק האסטרטגי שלמעבדי DSP בחברת Texas Instruments ואחראי על פיקוח מפות הדרכים של מוצרי DSP ב–TI.
קווין בלנאפ [Kevin Belnap] הוא מנהל שיווק המוצר של קבוצת המיקרו בקרים, MSP430, להספק נמוך במיוחד ב–TI.
ג’ף פלין [Jeff Falin] הוא מהנדס יישומים במפעל בקבוצת היישומים האנלוגיים לביצועים גבוהים ולהספק, עבור מכשירים ניידים ב–TI.