Maßstab für iPhone-Prozessor
Samsungs Exynos 7420 unter der Lupe
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Massive Reduktion der Versorgungsspannungen mit Cortex-M3
Tabelle 3 zeigt die Versorgungsspannungen für unterschiedliche SoC-Blöcke in unterschiedlichen Siliziumklassen (von Samsung mit ASV für Adaptive Scaling Voltage bezeichnet). Damit hat es folgendes auf sich: Durch Variationen im Fertigungsprozess wiesen unterschiedliche Silizium-Chips unterschiedliche elektrische Charakteristika auf, was bedeuten kann, dass ein Produkt beim Betrieb mit seinen Ziel-Spezifikationen nicht mehr funktionieren würde. Es gibt das sogenannte „kalte“ oder „langsame“ Silizium, das seine Zielt-Taktfrequenz ohne Erhöhung der nominalen Versorgungsspannung nicht erreicht, aber den Vorteil geringerer statischer Leckströme aufweist. Auf der anderen Seite gibt es dass „schnelle“ oder „heisse“ Silizium, das dank geringerer Transistor-Schwellenspannungen seine Zielfrequenz auch mit einer verminderten Versorgungsspannung erreicht. Der Nachteil sind höhere statische Leckströme. Diese sind der Praxis aber nur bedingt relevant, da einerseits mit Mechanismen wie Power-Gating statische Leckströme wirksam unterdrückt werden und zweitens dynamische Leckströme wie z.B. vom Gate zum Drain in den betrachteten Prozessen deutlich höher sind. Dazu kommt noch die FinFET-Technologie, welche statische Leckströme nochmal deutlich reduziert. Es ist daher besser, „heisses“ Silizium zu haben, um die Versorgungsspannung, die ja quadratisch in die Leistungsaufnahme eingeht, absenken zu können.
Der Unterschied bei maximaler Cortex-A57-Taktfrequenz (2,1 GHz) zwischen Worst Case und Best Case beträgt nur bei dem A57-Cluster 150 mV, was der dynamischen Leistungsaufnahme einen Unterschied von fast einem Drittel bedeutet!
Zum Glück genügt die Verteilung der Chips einer Poisson-Verteilung mit Lambda im Bereich von ASV 10/ASV 11. CPUs und GPUs werden dabei in separate Siliziumklassen klassifiziert, z.B. ist ein ASV10 bei den CPUs und ein ASV11 bei der GPU denkbar.
Bei der Angabe von Ziel-Spannungen muß man bei SoCs vorsichtig sein. Das übliche Vorgehen bei dynamischer Spannungs- und Frequenz-Anpassung (DVFS) auf einem SoC ist der Einsatz von Abwärtswandlern auf dem Stromversorgungs-IC, diese haben jedoch eine limitierte Genauigkeit. Mit dem Exynos 7420 hat Samsung daher ein anderes System eingeführt, das sogenannte Closed-Loop-DVS. Dabei handelt es sich um eine Feedback-Schleife, die permanent die Eingänge über Sensoren, die sogenannten Hardware-Performance-Monitors (HPMs) überwacht. Konkret gibt ein Cortex-M3-Mikrocontroller, den Samsung APM (Adaptive Power Manager) nennt, dem Spannungsregler eine bestimmte Spannung vor, die auf den unterschiedlichen Spannungsebenen des SoCs über individuelle HPMs, welche die tatsächlichen Werte zurückmelden, überwacht wird.
Der Cortex-M3 kommuniziert mit dem Hauptsystem über eine sogenannte Mailbox, einen bestimmten Bereich eines RAM-Speichers, in welchen er Nachrichten hineinschreiben kann , die von allen anderen Mailboxen gelesen werden können. Der auf dem Linux-Kernel laufende DVFS-Mechanismus sendet die Zielspannungen bei jedem Wechsel der Taktfrequenz an den M3. Zunächst wird der Stromversorgungs-IC direkt über eine I2C-Schnittstelle von der Haupt-CPU über den Kernel programmiert und dann die Steuerung an den Cortex-M3 übergeben, bis der nächste Frequenzwechsel ansteht. Der M3 liest die HPMs aus, die jeweils auf den CPU-Clustern, den Speichercontrollern und der GPU zu finden sind. Wenn der M3 feststellt, dass die Schwellenspannung durch Temperatur oder andere Einflüsse des Siliziums fällt, reduziert er die aus einer Tabelle ausgelesenen „Standard-Spannungswerte“ für die jeweilige ASV-Klasse dementsprechend bzw. umgedreht.
Der große Vorteil des Cortex-M3-Hilfsprozessors gegenüber den Applikations-Prozessoren ist die Erreichung einer größeren Granularität und die Echtzeitfähigkeit. Spannungswechsel können innerhalb 1 ms vollzogen werden, während der Haupt-DVFS-Mechanismus alle 20-80 ms aufgerufen wird. Die erreichbaren Spannungsschritte hängen vom Stromversorgungs-IC ab, beim Galaxy S6 betragen sie 6,25 mV bei den Abwärtswandlern. Die maximale Unterspannung für die CPU-Cluster beträgt übrigens 25 mV und für die Speicherschnittstellen und GPU jeweils 12,5 mV.
Die in Tabelle 3 ersichtlichen Spannungsunterschiede zwischen Exynos 7420 und Exynos 5430/5433 sind gewaltig. Wie sich das in realen Zahlen niederschlägt, zeigen die Bilder 1 und 2, in welchen die maximale Leistungsaufnahme der CPUs Cortex-A53 bzw. A57 dargestellt ist.
Um bis zu 40 % energieeffizienter sind die CPUs des Exynos 7420 im aktiven Modus, ein bemerkenswertes Ergebnis.
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