【专利解密】摩尔线程公开片上系统及低功耗功率管理方案

【爱集微点评】摩尔线程公开的片上系统及基于该系统的功率管理方案，该方案设计的片上系统包括有主设备、从设备、AXI总线以及供电电路。由于对从设备和从设备侧逻辑电路都掉电，因此更大程度地降低了功耗，并且还可以检测事务状态。并基于事务状态决定是否掉电，以免掉电干扰事务运行。

集微网消息，片上系统具有高效的集成性能，其已经成为替代集成电路的主要解决方案和当前微电子芯片发展的必然趋势。片上系统的设计不仅关注于面积和性能，其对功耗的要求也越来越高。目前，片上系统的集成度达到百万门级，而且要在数百兆时钟频率下工作，因此具有数十瓦乃至上百瓦的功耗。巨大的功耗给片上系统的使用、封装以及可靠性方面都会带来问题。因此，降低功耗符合人们对片上系统的期望。

相关技术中存在的针对片上系统的低功耗设计具有一些缺陷。例如，在进行低功耗操作时，有可能干扰片上系统内正在进行的任务。而且，片上系统的单个模块往往处于单一的功率域内，这样的功率域划分比较不灵活、降低功耗的效果较差。

针对这些设计缺陷，摩尔线程在2022年11月25日申请了一项名为“片上系统、电子设备和基于片上系统的功率管理方法”的发明专利（申请号：202211487373.7），申请人为摩尔线程智能科技（北京）有限责任公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中公开的片上系统及外部设备的结构示意图，片上系统100包括主设备105、从设备110和总线115。总线提供了主设备和从设备之间的通信路径。主设备通过总线的主设备接口与总线通信，从设备通过总线的从设备接口与总线通信。主设备一般是发起和实施控制的设备，例如中央处理器、数字信号处理器（DSP）、图形处理器、神经网络处理器、直接存储器访问（DMA）控制器等。

从设备一般是响应于主设备的控制，配合执行对应操作的设备，例如存储器类设备，比如静态随机存储器、闪速存储器控制器、同步动态随机存取存储器控制器、双倍速率同步动态随机存储器(DDR)控制器等。有时，从设备在片上系统之外还会连接到对应的外设设备。比如，当从设备是DDR控制器时，其还会连接到片上系统之外的作为外设设备的DDR。此外，有的设备可能既是主设备，又是从设备。

在通过对从设备掉电来降低功耗时，需要防止掉电对从设备的正常工作产生负面影响。例如，如果在对从设备进行掉电时，从设备与主设备之间进行事务，则对从设备的掉电可能导致事务被中断。该方案通过将功率控制器设置在时钟转换器内，由于处于不同时钟域的主设备和从设备之间的事务都会经过时钟转换器，因此功率控制器可以检测事务的状态，并基于该事务状态来决定是否对从设备和从设备侧逻辑电路掉电，实现掉电、并且不会影响事务的完成。

如上图，示意性地示出了该方案中的片上系统内的功率域划分。在片上系统中，既包括与主设备处于相同时钟域的第一从设备1101，也包括与主设备处于不同时钟域的第二从设备1102。第一从设备和第二从设备都经过总线中的地址转换器145与主设备连接。

通常，处于同一时钟域的主设备与从设备不涉及掉电以降低功耗的问题，该问题一般针对的是处于不同时钟域的主设备和从设备。由于第二从设备处于与主设备不同的时钟域，主设备还需要经过时钟转换器125与第二从设备连接。在功率控制器控制供电电路对第二从设备掉电之前，主设备、第一从设备、第二从设备处于相同的功率域。在对第二从设备掉电之后，如上图所示，第二从设备与主设备和第一从设备处于不同的功率域。

而且，时钟转换器的从设备侧逻辑电路135也被掉电，与第二从设备处于相同的功率域，而主设备侧逻辑电路133未被掉电，保持与主设备和第一从设备处于相同的功率域。这样，时钟转换器的上下游两侧被更加灵活地划分在不同的功率域。并且由于时钟转换器下游的从设备侧逻辑电路也被掉电，可以更加降低功耗。

此外，该片上系统利用AXI总线的信号传输规则，对主设备和从设备之间的事务进行监测，通过观察通道内是否还在传输信号来判断事务是否已经结束。如果通道处于空闲状态，则功率控制器直接向供电电路发出掉电指令，对从设备和从设备侧逻辑电路掉电。如果通道不处于空闲状态，则表示时钟转换器还有一些事务没处理完，功率控制器会等待事务的处理，直到检测到最后数据指示信号，再通知供电电路掉电。这样，可以使降低功耗与片上系统的正常工作不发生冲突。

如上图，为空闲状态判断和新事务阻挡的组合过程的流程图。功率控制器接收对从设备和从设备侧逻辑电路掉电的指令后，先检测总线事务通道是否处于空闲状态。如果通道处于空闲状态，那么功率控制器先将通过地址通道向主设备发送的地址接收就绪信号维持在低电位，以便对主设备接下来可能发出的请求进行阻挡。之后，功率控制器向供电电路发出掉电指令，以使从设备和从设备侧逻辑电路掉电。

如果通道不处于空闲状态，也就是主设备和从设备之间还有事务在进行，那么功率控制器先将通过地址通道向主设备发送的地址接收就绪信号维持在低电位，以便对主设备接下来可能发出的请求进行阻挡。之后，功率控制器检测主设备和从设备间的数据通道是否已传输最后数据指示信号。

当检测到最后数据指示信号时，则表明主设备和从设备间的事务已经处理完毕，此时，功率控制器可以向供电电路发出掉电指令，以使从设备和从设备侧逻辑电路掉电。如果没有检测到最后数据指示信号，则继续保持对最后数据指示信号的检测，直到数据通道传输最后数据指示信号后，向供电电路发出掉电指令。在该方案，通过在接收到掉电指令后对主设备发起新事务的请求进行阻挡，可以在等待未完成的事务完成时，不会有新事务干扰。

以上就是摩尔线程公开的片上系统及基于该系统的功率管理方案，该方案设计的片上系统包括有主设备、从设备、AXI总线以及供电电路。由于对从设备和从设备侧逻辑电路都掉电，因此更大程度地降低了功耗，并且还可以检测事务状态。并基于事务状态决定是否掉电，以免掉电干扰事务运行。

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（校对/赵月）