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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der dynamischen Variation
der Taktfrequenz eines getaktet betriebenen Stromverbrauchers und
insbesondere damit, wie diese ohne negative Auswirkungen auf die
Betriebsparameter des Stromverbrauchers durchgeführt werden kann.
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Anwendungen,
bei denen bei einem getaktet betriebenen System die Systemfrequenz
dynamisch variiert wird, um beispielsweise sich zeitlich verändernden
Anforderungen an Rechengeschwindigkeit zu genügen, sind zahlreich. Beispielspielsweise
ist es ein viel beworbenes Designmerkmal moderner Mikroprozessoren,
dass diese ihre interne Taktfrequenz je nach momentan anfallender
Prozessorlast variieren können,
um in einem Zustand niedriger Taktfrequenz den Energieverbrauch
des Gesamtsystems zu verringern. Der Energieverbrauch des Mikroprozessors
skaliert dabei näherungsweise
linear mit der verwendeten Taktfrequenz, da Energie immer dann verbraucht
wird, wenn Transistoren ihren Schaltungszustand ändern, was bei Mikroprozessoren
und Registern typischerweise je Taktzyklus einmal der Fall ist.
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Die
Taktfrequenz eines solchen Systems wird bei dem Stand der Technik
entsprechenden Verfahren entweder sprunghaft von der momentanen
Istfrequenz auf die Sollfrequenz erhöht oder in mehreren aufeinanderfolgenden äquidistanten
Taktfrequenzsprüngen
(lineares ramping). Ein Problem bei der Erhöhung der Taktfrequenz besteht
dabei darin, dass die getaktet betriebenen Stromverbraucher mit einer
Versorgungsspannung versorgt werden müssen, um ihre Funktion sicherzustellen.
Wird nun die Taktfrequenz erhöht,
benötigt
der Stromverbraucher innerhalb von Sekundenbruchteilen mehr Strom,
da dieser, wie bereits oben beschrieben, mit der Taktfrequenz skaliert.
Im Allgemeinen wird eine von einem Spannungsregler gelieferte Versor gungsspannung bei
einer Taktfrequenzerhöhung
also einen Spannungseinbruch aufweisen. Dessen Höhe hängt von der Größe der sich ändernden
Last, mithin also von der Taktfrequenzänderung, ab. Ist die Höhe der Taktfrequenzänderung
pro Zeiteinheit (charakteristische Regelzeit des Spannungsreglers)
zu hoch, kann es dazu kommen, dass der Spannungseinbruch so stark ist,
dass eine Mindestversorgungsspannung, die zum Betrieb des Stromverbrauchers
unbedingt erforderlich ist, unterschritten wird. Im schlimmsten
Fall wird dadurch der Stromverbraucher abgeschalten bzw. es wird
ein Reset eines Prozessors ausgelöst bzw. erforderlich. Dies
kann im Extremfall einen unmittelbaren Datenverlust zur Folge hat.
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Bei
der Variation der Taktfrequenz eines getaktet betriebenen Stromverbrauchers
ist also zum einen darauf zu achten, dass die Taktfrequenzerhöhung möglichst
schnell erfolgen muss, um den wunschgemäßen Betrieb eines Systems sicherzustellen,
andererseits darf diese nicht so schnell erfolgen, dass der Stromverbraucher
mangels ausreichend zur Verfügung
gestellter elektrischer Leistung funktionsunfähig ist.
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Das
dem Stand der Technik entsprechende sprunghafte Umschalten, also
die Variation von der Istfrequenz zur Sollfrequenz in einem einzigen Schritt,
hat dabei den großen
Nachteil, dass der durch die Taktfrequenzerhöhung ausgelöste Leistungseinbruch bzw.
Spannungseinbruch maximal ist. Um bei einer derartigen Frequenzvariation
den Betrieb des Stromverbrauchers sicherzustellen, ist also die
Leistungs- bzw. Spannungsversorgung so großzügig zu dimensionieren, dass
sie im ungünstigsten Betriebszustand
den maximalen Taktfrequenzsprung und die daraus resultierende hohe Änderung
der Last innerhalb der Toleranzparameter des Systems regeln kann.
Es sind somit außerordentlich
laststabile, große
und teuer zu implementierende Spannungsregler vonnöten, um
die beispielsweise mittels fixen Frequenzteilern implementierte
sprunghafte Erhöhung bzw.
Reduktion der Taktfrequenz auch in einem „worst-case-szenario" aushalten zu können. Dieselbe
Problema tik tritt beim Erniedrigen der Taktfrequenz auf, wobei dabei
typischerweise eine Überspannung
erzeugt wird, die in ähnlicher
Weise wie eine Unterspannung die Betriebsfähigkeit eines getakteten Stromverbrauchers
beeinträchtigen
kann.
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Bei
dem Stand der Technik entsprechende Verfahren, die von einer Istfrequenz
zu einer Sollfrequenz die Taktfrequenz linear erhöhen, das
heißt,
in mehreren Einzelschritten pro Zeiteinheit (also mit konstantem Δf/Δt) ist es
ein großer
Nachteil, dass die Frequenzänderung
je Schritt (Δf)
ebenfalls an den „worst-case" angepasst sein muss,
so dass in Betriebszuständen
des Stromverbrauchers, die nicht dem „worst-case"-Betriebszustand
entsprechen, eine Taktfrequenzerhöhung oder -verminderung nur mit
einer Geschwindigkeit erfolgen kann, die geringer ist als die maximal
mögliche.
Dies kann im unter Umständen
dazu führen,
dass ein Prozessor in einem Echtzeitsystem die gewünschte Funktionalität nicht aufrecht
erhalten kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, eine Taktfrequenz
so zu variieren, dass eine Taktfrequenzänderung effizienter und unter
geringerer Beeinflussung eines mittels der Taktfrequenz betriebenen
Systems ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
10 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass
eine Taktfrequenzänderung
eines mit einer Leistung versorgten getaktet betriebenen Verbrauchers
schnell und effizient unter geringstmöglicher Beeinflussung der den
Verbraucher versorgenden Leistungsversorgung durchgeführt werden
kann, wenn die gesamte Taktvariation durch eine Mehrzahl von einzelnen
Taktänderungen mit
jeweils unterschiedli chen Änderungsbeträgen erfolgt,
wenn die Taktfrequenz also nichtlinear variiert wird.
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Eine
nicht-lineare an den Regler der Versorgungsspannung bzw. der Versorgungsleistung
angepasste Frequenzänderung
kann Instabilitäten
in den Betriebsgrößen (Strom,
Spannung) zu großen
Teilen verhindern, da erkannt wurde, dass die von einem Spannungs-
bzw. Leistungsregler tolerierbare Laständerung vom momentanen Betriebspunkt
des Spannungs- bzw. Leistungsreglers abhängt. Die nicht-lineare, an
den Regler angepasste Frequenzänderung
(und damit Laständerung)
kann evtl. auftretende Instabilitäten zu einem großen Teil
verhindern, wobei darüber
hinaus bei einer gegebenen erlaubten Spannungs- bzw. Leistungsvariation
des Reglers (Δp
bzw. ΔV)
die Performance, also die Geschwindigkeit der Regelung (Δf/Δt) sogar
erhöht
werden kann.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird daher zur Regelung der Taktfrequenz
von einem Frequenzregler die Regelcharakteristik eines Spannungsreglers,
der den getaktet betriebenen Stromverbraucher mit einer Betriebsspannung
versorgt, berücksichtigt,
um eine erforderliche Taktfrequenzänderung nichtlinear derart
durchzuführen,
dass der durch die Taktfrequenzänderung verursachte
Spannungseinbruch bzw. die Spannungsüberhöhung innerhalb eines vorher
festgelegten tolerierbaren Bereichs bleibt.
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Dies
hat den Vorteil, dass bei gegebenem Regler nicht, wie im Stand der
Technik üblich,
nur solche Frequenzsprünge
erlaubt werden, die auch im ungünstigsten
Fall des Betriebs ein gesichertes Funktionieren des Stromverbrauchers
ermöglichen, sondern
dass darüber
hinaus wesentlich größere Frequenzänderungen
pro Zeiteinheit ermöglicht
werden, wenn sich ein System nicht in diesem Betriebsmodus befindet.
Dies ist üblicherweise
dann der Fall, wenn der Stromverbraucher mit einer Taktfrequenz betrieben
wird, die oberhalb einer minimal möglichen Taktfrequenz des Stromverbrauchers
liegt. Befindet sich der Stromverbraucher auf minimaler Taktfrequenz,
hat dieser den geringsten Stromverbrauch. Bei einer Taktfrequenzerhöhung von
diesem niedrigen Ausgangsniveau ist also die daraus resultierende
relative Laständerung
am Ausgang des Spannungsreglers außerordentlich hoch, sie kann
mehrere 100 % betragen. Beispielhaft sei hier ein System betrachtet,
das in einen dynamischen Taktfrequenzbereich bis zum 40-Fachen einer
Grundfrequenz f0 betrieben werden kann, und das idealisiert betrachtet,
je Betriebsfrequenz f0 denselben Strom verbraucht, wobei die Taktfrequenz
in ganzzahligen Schritten von f0 regelbar sein soll.
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Befindet
sich das System im Ausgangszustand auf einer Taktfrequenz von 25·f0 und
soll die Taktfrequenz um f0 erhöht
werden, so bedeutet dies eine Erhöhung der Last am geregelten
Ausgang des Spannungsreglers um lediglich 1/25 der ursprünglichen
Last, so dass der Spannungsregler diese dynamische Laständerung
leicht ausregeln kann.
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Befindet
sich dasselbe System jedoch im Ursprungszustand bei der Grundfrequenz
f0, bedeutet die gewünschte
Taktfrequenzerhöhung
eine Laständerung
von 100 %, so dass der zu erwartende Spannungseinbruch bei gleicher
absoluter Erhöhung
der Taktfrequenz deutlich stärker
ausfallen wird als im oben beschriebenen Fall. Typischerweise führt eine feste Änderung
des dynamischen Stroms also im unteren Frequenzbereich zu einem
größeren Spannungseinbruch
als im oberen Frequenzbereich.
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Ein
erfindungsgemäßer Frequenzregler macht
sich diese Nichtlinearität
des Systems zu Nutze, indem er die Taktfrequenz (Betriebsfrequenz) nicht-linear
verändert.
Die Charakteristik der Frequenzänderung
pro Zeiteinheit (f-t-Kurve) ist also auf die Eigenschaften des Reglers
abgestimmt und deswegen nicht linear.
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Ein
großer
Vorteil ist dabei, dass eine Taktfrequenzänderung wesentlich schneller
möglich
ist, wenn ein bestehendes System aus Spannungs- bzw. Leistungsregler
und getaktetem Stromverbraucher erfindungsgemäß betrieben wird, da dieses
bereits auf den im unteren Frequenzbereich auftretenden worst-case
ausgelegt ist, so dass im oberen Frequenzbereich deutlich größere Taktsprünge möglich werden.
Dies ermöglicht
das Erhöhen
bzw. Erniedrigen der Taktfrequenz in einer geringeren Zeit.
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Detaillierte
Ausführungsbeispiele
werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen, näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
einen erfindungsgemäßen Frequenzregler
zum Variieren einer Taktfrequenz;
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2 einen
Vergleich von erfindungsgemäßen Frequenzregelungen
mit dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren;
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3 einen
Vergleich von durch Taktfrequenzänderungen
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hervorgerufenen Spannungseinbrüchen mit
dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren;
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4 Beispiele
für eine
Verringerung des Betriebsspannungseinbruchs bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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5 ein
Beispiel für
ein erfindungsgemäßes System
mit variabler Taktfrequenz.
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Die 1 zeigt
ein Beispiel für
einen erfindungsgemäßen Frequenzregler
in Anwendung.
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Dargestellt
ist ein Frequenzregler 10, ein getaktet betriebener Verbraucher 12 und
ein Leistungsverwalter (Leistungsmanagement) 14.
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Der
Frequenzregler 10 umfasst einen Frequenzindikator 16,
einen Takterzeuger 18 und einen Taktsteuerer 20.
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Der
Takterzeuger 18 des Frequenzreglers 10 ist mit
dem Verbraucher 12 verbunden und erzeugt den Systemtakt,
der zum Betrieb des Verbrauchers 12 erforderlich ist. Der
Verbraucher 12 ist optional mit dem Leistungsverwalter 14 verbunden.
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In
einer einfachen Ausführungsform
ist der Leistungsverwalter 14 nicht mit dem Verbraucher 12 verbunden
und besitzt beispielsweise ein Register, in dem ein Benutzer die
Zielfrequenz fest einstellen kann, zu welcher dann erfindungsgemäß nicht-linear geregelt
wird.
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In
einer komplexeren Ausführung
kann der Leistungsverwalter 14 zusätzliche Systemparameter überwachen
bzw. steuern um so die momentan vorhandene System- bzw. Rechenleistung
zu bewerten (u.a. auch unter Einbeziehung weiterer externer Faktoren,
wie beispielsweise der gemessenen Versorgungsspannung). Dabei kann
der Leistungsverwalter 14 mit dem Verbraucher 12 verbunden
sein, um beispielsweise die Ist-Frequenz beziehungsweise die momentane
Auslastung des Verbrauchers zu berücksichtigen.
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Der
Leistungsverwalter 14 analysiert also die im System zur
Verfügung
gestellte Leistung unter Einbeziehung mehrerer Faktoren und ist
mit dem Frequenzindikator 16 verbunden, um diesem gegebenenfalls
anzuzeigen, dass eine Erhöhung
bzw. eine Erniedrigung der Taktfrequenz erforderlich ist, um in
einen optimalen Betriebszustand zu gelangen. Eine Erhöhung kann
dadurch motiviert sein, dass die momentan zur Verfügung gestellte
Rechenleistung zu gering ist, um die an das System gestellten Anforderungen
zu erfüllen.
Eine Erniedrigung kann dadurch hervorgerufen werden, dass die momentane Rechenleis tung
zu hoch ist, so dass durch eine Taktfrequenzerniedrigung Energie
gespart werden kann. Zum anderen ist es alternativ auch möglich, dass
die Taktfrequenz erniedrigt werden soll, wenn externe Betriebsparameter,
wie z. B. die zur Verfügung
gestellte Versorgungsspannung aktuell nicht in der Lage sind, die
durch einen hohen Systemtakt benötigte
Leistung zur Verfügung
zu stellen, wenn diese zeitgleich beispielsweise die Leistung für andere Systemkomponenten
bereitstellen muss. Dann kann es erforderlich sein, die Taktfrequenz
zu erniedrigen, obwohl dabei die Abarbeitung von beispielsweise Programmcode
durch den Verbraucher 12 verlangsamt wird. Die gewünschte Erniedrigung
beziehungsweise Erhöhung
der Taktfrequenz (also die Zielfrequenz) kann in einer einfachen
Konfiguration auch, wie bereits oben erwähnt, dem Leistungsverwalter 14 von
einem externen Benutzer vorgegeben werden.
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Um
eine gewünschte
Frequenzerhöhung oder
Frequenzerniedrigung anzuzeigen, ist der Leistungsverwalter 14 mit
dem Frequenzindikator 16 des Frequenzreglers 10 verbunden.
Innerhalb des Frequenzreglers 10 ist der Frequenzindikator 16 mit
dem Takterzeuger 18 verbunden und signalisiert diesem über einen
ersten Signalweg 22a eine Erhöhung der Taktfrequenz und über einen
zweiten Signalweg 22b eine Erniedrigung der Taktfrequenz.
Die Signalisierung erfolgt solange, bis der Frequenzindikator, basierend
auf den Informationen des Leistungsverwalters 14 das Erreichen
des Sollzustands feststellt.
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Der
Takterzeuger 18 erzeugt physikalisch die Taktfrequenz zum
Betrieb des Verbrauchers 12. Dabei wird abhängig von
dem über
die Signalwege 22a und 22b übermittelten Informationen
die aktuelle Taktfrequenz entweder beibehalten, erhöht oder
erniedrigt. Erfindungsgemäß ist der
Takterzeuger 18 mit einem Taktsteuerer 20 verbunden,
der die Schrittweite der Frequenzsprünge abhängig vom Systemzustand vorgibt.
Durch die variable Schrittweite wird also eine systemabhängige Frequenzänderungsgeschwindigkeit
und somit eine nicht-lineare Frequenzregelung des Takterzeugers 18 erreicht.
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Der
Taktsteuerer 20 kann dabei beispielsweise als festverdrahtete
Logik realisiert werden, die bei gegebener Taktfrequenz einen Änderungsbetrag
der Taktfrequenz in Abhängigkeit
der gegebenen Taktfrequenz vorgibt. Dabei kann diese Abhängigkeit
in Form einer Tabelle fest gespeichert sein, die beim Systemdesign
einmal ermittelt wird. Beim Design des Systems wird dann beispielsweise
zunächst
der Leistungsverbrauch des Verbrauchers 12 bestimmt. Danach
kann ein Versorgungsspannungsregler bzw. ein Leistungsversorger,
der den Verbraucher mit einer Betriebsleistung versorgt, und der
eine spezifische Regelcharakteristik aufweist, gewählt werden.
Durch Kenntnis des dynamischen Stromverbrauchs bzw. des dynamischen
Leistungsverbrauchs des Verbrauchers 12 und der Reglercharakteristik
lässt sich
die Taktsteuereinrichtung 20 dann so implementieren, dass
bei jedwedem Betriebszustand des Verbrauchers die Taktfrequenzänderung
so erfolgt, dass eine unvermeidliche durch die dynamische Laständerung verursachte
Versorgungsleistungsänderung
bzw. Versorgungsspannungsänderung
unterhalb eines vorgegebenen, noch tolerierbaren Maximalwerts bleibt.
Durch die Nichtlinearität
der Regelung wird somit erreicht, dass zu jedem Betriebszeitpunkt
eine optimale Änderungsgeschwindigkeit
der Taktfrequenz erzielt wird, bzw. dass beispielsweise die Schwankung
der Versorgungsspannung, die durch die Taktänderung hervorgerufen wird,
auf ein festgelegtes Maß,
das innerhalb des gesamten möglichen dynamischen
Taktfrequenzbereichs konstant ist, begrenzt bleibt. Die Taktsteuereinrichtung 20 kann
dabei beispielsweise auch so implementiert sein, dass diese eine
analytische Funktion in Abhängigkeit
von gemessenen Betriebsparametern, wie beispielsweise der aktuellen
Taktfrequenz und des aktuellen Spannungsniveaus, auswertet, um das
erfindungsgemäße Konzept
zu implementieren.
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Im
Folgenden wird anhand der 2 bis 4 dargestellt,
wie eine nicht-lineare Charakteristik eines erfindungsgemäßen Frequenzreglers
gewählt
sein kann und wie sich die Betriebs parameter eines getaktet betriebenen
Stromverbrauchers bei Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts
verhalten.
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Die 2 zeigt
einen Graphen, bei dem auf der X-Achse die Zeit in willkürlichen
Einheiten aufgetragen ist und bei dem auf der y-Achse eine Taktfrequenz
zum Betrieb eines Verbrauchers in ebenfalls willkürlichen
Einheiten aufgetragen ist. Dabei ist eine lineare Frequenzreglung,
wie sie dem Stand der Technik entspricht, anhand eines Graphen 30 dargestellt,
sowie eine erfindungsgemäße erste
nicht-lineare Frequenzregelung 32a und eine zweite nicht-lineare
Frequenzregelung 32b. Die Frequenzregelungen sind dabei
für denselben
getaktet betriebenen Verbraucher vorgesehen, wobei die dem Stand
der Technik entsprechende lineare Frequenzregelung so gewählt sein
muss, dass im ungünstigsten
Betriebsmodus eine Taktfrequenzänderung
nicht zu einem zu großen
Einbruch einer Versorgungsspannung bzw. einer Versorgungsleistung
führt.
Wie bereits oben beschrieben, sind die Leistungs- bzw. Spannungsvariationen
im unteren Taktfrequenzbereich dabei die limitierenden Faktoren,
so dass die Steigung der linearen Frequenzregelung 30 (Δf/Δt) in einem
Bereich 34 der niedrigsten Taktfrequenzen festgelegt werden muss. 2 ist
dabei beispielhaft eine Taktfrequenzänderung betrachtet, die von
der Grundfrequenz bis zu einer Maximalfrequenz erfolgt.
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Beim
Anwenden des erfindungsgemäßen Konzepts
der nichtlinearen Frequenzregelung, wie sie durch die erste nichtlineare
Frequenzregelung 32a beschrieben wird, ist klar ersichtlich,
dass eine Erhöhung
der Systemfrequenz auf die maximale Systemfrequenz in einer Zeit
ermöglicht
wird, die wesentlich geringer ist, als bei Anwendung einer dem Stand
der Technik entsprechenden linearen Frequenzregelung 30.
Beim in 2 gezeigten Beispiel ist der
Zeitunterschied zum Erreichen der maximalen Systemfrequenz größer als
ein Faktor 3. Dabei ist die nicht-lineare Frequenzregelung 32a die
schnellstmögliche
Implementierung der nicht-linearen Regelung, was sich dadurch äußerst, dass
die Steigung der nicht linearen Frequenzregelung 32a für kleine Frequenzen
der Steigung der linearen Frequenzregelung 30 entspricht.
Die nichtlineare Frequenzregelung 32a ist also so gewählt, dass
diese bei niedrigen Frequenzen die maximale erlaubte Spannungs- bzw. Leistungsänderung
hervorruft. Durch die Nicht-Linearität wird diese maximale erlaubte
Variation auch für höhere Frequenzen
ausgenutzt, was im Fall der linearen Frequenzregelung 30 nicht
der Fall ist, so dass sich die insgesamt beobachtete deutliche Geschwindigkeitssteigerung
(Performance-Steigerung) zum Erreichen der maximalen Systemfrequenz
gegenüber
der linearen Frequenzregelung 30 ergibt. Dies hat insgesamt
den Vorteil, dass auf dynamische Laständerungen bei Anwendung des
erfindungsgemäßen Konzepts
wesentlich schneller reagiert werden kann, als bei dem Stand der
Technik entsprechenden Verfahren und somit durch Frequenzänderung
auftretende Latenzzeiten deutlich geringer gehalten werden können.
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Die
zweite nicht-lineare Frequenzregelung 32b beschreibt eine
Frequenzregelung, die weniger aggressiv ausgelegt ist als die erste
nicht-lineare Frequenzregelung 32a, bei der also bei einer
Taktfrequenzänderung
eine Versorgungsleistungsvariation bzw. eine Versorgungsspannungsvariation
je Frequenzschritt geringer ausfällt,
als im Fall der linearen Frequenzreglung 30 oder der ersten
nicht-linearen Frequenzregelung 32a. Dies äußert sich
darin, dass die Anfangssteigung der zweiten nicht-linearen Frequenzregelung 32b bei
niedrigen Taktfrequenzen deutlich geringer ist, als im Fall der
linearen Frequenzregelung 30 und der ersten nicht-linearen
Frequenzregelung 32a. Dabei ist zu beachten, dass die Zeit,
die verstreicht, wenn mittels der zweiten nicht-linearen Frequenzregelung 32b von
der Grundfrequenz bis zu einer maximalen Betriebsfrequenz geregelt
wird, insgesamt noch geringer ist als im Fall der linearen Frequenzregelung 30,
obwohl die maximal auftretenden Versorgungsleistungsschwankungen
bzw. Versorgungsspannungsschwankungen (bei niedrigen Frequenzen)
deutlich geringer sind als im Fall der linearen Frequenzregelung 30.
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Erfindungsgemäß ist es
somit auf vorteilhafte Art und Weise möglich, die Performance (die
Zeit, die zur Erhöhung
einer Frequenzänderung
benötigt wird),
im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Systemen deutlich
zu erhöhen.
Des weiteren ist es erfindungsgemäß nun möglich, durch Variation unterschiedlicher,
nicht-linearer Regelkurven, einen optimalen Kompromiss zwischen
Geschwindigkeit der Taktfrequenzerhöhung und Variation von Versorgungsspannung
bzw. Versorgungsleistung bei bereits gegebener Hardware (Stromverbraucher
und Leistungsversorgung) zu erhalten.
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Da
eine Frequenzskalierung bei Systemen, die beispielsweise durch eine
Leistungsmanagementeinheit gesteuert werden, üblich ist, eröffnet sich ein
breites Anwendungsfeld für
die erfindungsgemäße Frequenzregelung,
insbesondere für
Systeme mit sich dynamisch ändernden
Workloads bzw. sich ändernden
Umgebungsparametern (Stromlimits, externe Spannungseinbrüche).
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Die 3 zeigt
eine Tabelle, die zeigt, wie durch Anwendung eines erfindungsgemäßen Frequenzreglers
mit nicht-linearer Frequenzregelung ein maximal beobachteter Spannungseinbruch
bei einem mit einer Versorgungsspannung betriebenen Stromverbraucher
im Vergleich mit dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren
verringert werden kann. Dabei wird ein System betrachtet, das einen idealisierten
dynamischen Stromverbrauch, der linear von der Taktfrequenz abhängig ist,
aufweist. Betrachtet wird eine Taktfrequenzänderung, die von einer minimalen
Betriebsfrequenz zur maximal möglichen
Taktfrequenz durchgeführt
wird.
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In
der in 3 gezeigten Tabelle ist nun in einer Tabellenzeile 40 der
beobachte Spannungseinbruch in relativen Einheiten zum maximal beobachteten
Spannungseinbruch aufgetragen, wobei eine erste Spalte 42a den
Spannungseinbruch für
den Fall angibt, dass kein kontinuierliches Frequency-Ramping durchgeführt wird,
das heißt,
in einem einzelnen Taktschritt wird die Taktfrequenz von der minimalen Betriebsfrequenz
auf die maximal möglichen
Taktfrequenz angehoben. Die zweite Spalte 42b zeigt den Fall
eines linearen Frequency-Rampings (in 5 Schritten) und die dritte
Spalte 42c zeigt den Fall erfindungsgemäßer nicht-linearer Taktfrequenzvariationen,
wobei die Zeit, in der die maximale Taktfrequenz erreicht wird,
ebenfalls 5 Schritte beträgt.
Wie es in 3 zu sehen ist, ist erwartungsgemäß der Spannungseinbruch
bei instantaner, das heißt,
ungeregelter Spannungserhöhung
durch einen einzelnen Taktschritt am größten. Obwohl die Gesamtregelzeit
zum Erreichen der maximalen Taktfrequenz für den erfindungsgemäßen nicht-linearen
Frequenzregler und den linearen Frequenzregler identisch ist (5
Schritte), ist der beobachtete Spannungseinbruch beim erfindungsgemäßen Variieren
der Taktfrequenz um annähernd
50 % geringer als beim linearen Variieren.
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4 zeigt
einen Spannungsverlauf eines Spannungsreglers, wie er sich einstellt,
wenn eine Taktfrequenz eines mittels des Spannungsreglers mit Versorgungsspannung
betriebenen Verbrauchers geändert
wird. Dabei ist auf der x-Achse die Zeit in willkürlichen
Einheiten und auf der y-Achse die Versorgungsspannung in willkürlichen
Einheiten angegeben. Dargestellt ist der anhand von 3 beschriebene
Fall, wobei ein erster Graph 50a den Fall instantaner,
zu Spalte 42a korrespondierender Taktfrequenzänderung
zeigt, bei dem sich die maximale Spannungsänderung ergibt. Ein zweiter
Graph 50b beschreibt die Spannungsvariation beim linearen
Variieren der Taktfrequenz. Ein dritter Graph 50c beschreibt
das erfindungsgemäße nicht-lineare
Variieren der Taktfrequenz, wobei sich der insgesamt geringste Spannungseinbruch
der Versorgungsspannung einstellt.
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Das
System, welches anhand von 3 und 4 charakterisiert
ist, ist so gewählt,
dass die lineare und die nichtlineare Regelung das Erhöhen einer Taktfrequenz
von einer minimalen Taktfrequenz zu einer maximalen Taktfrequenz
in der selben Zeit ermöglicht.
Die Tatsache, dass eine nichtlineare Charakteristik so gewählt werden
kann, dass sich die gleiche maximale Regelzeit ergibt und dass sich
bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Frequenzreglers eine deutlich
geringere Spannungsvariation einstellt, unterstreicht noch einmal
die große
Variabilität des
erfindungsgemäßen Konzepts.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel kann also
bei gleicher Geschwindigkeit der Frequenzerhöhung ein Spannungsregler verwendet
werden, der weniger robust ist, also geringere Reserven bietet und
somit platzsparender und kostengünstiger
implementierbar ist.
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Die 5 zeigt
ein Beispiel für
ein erfindungsgemäßes System
mit einen getaktet betriebenen Verbraucher 60, einer geregelten
Spannungsversorgung 62 (Leistungsversorgung) und einem
erfindungsgemäßen Frequenzregler 64.
Der Stromverbraucher 60 ist mit der Spannungsversorgung 62 verbunden,
und erhält
von dieser die für
seinen Betrieb notwendige Versorgungsspannung. Die Taktfrequenz,
die zum Betrieb des getaktet betriebenen Stromverbrauchs 60 erforderlich
ist, wird von einem erfindungsgemäßen Frequenzregler 64 erzeugt, weswegen
dieser mit dem Stromverbraucher 60 verbunden ist.
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Der
erfindungsgemäße Frequenzregler 64 regelt
bei einer erforderlichen Taktfrequenzerhöhung oder -erniedrigung die
Taktfrequenz so, dass eine durch die sich dynamisch ändernde
Taktfrequenz des Stromverbrauchers 60 an der Spannungsversorgung 62 hervorgerufene
Versorgungsspannungsänderung unterhalb
eines vorbestimmten Grenzwerts bleibt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann die Spannungsversorgung 62 über eine Monitorverbindung 66 mit
dem Frequenzregler 64 verbunden sein, so dass der Frequenzregler 64 jeweils
Information über
die tatsächlich
von der Spannungsversorgung 62 erzeugte Betriebsspannung
erhält,
um auf Basis dieser Information die jeweiligen Änderungsbeträge für die individuellen
Taktfrequenzänderungen
so zu bestimmen, dass die Versorgungs spannungsänderung der Spannungsversorgung 62 innerhalb
eines festgelegten Bereichs verbleibt.
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Obwohl
bei den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben
wurde, dass die Variation einer Versorgungsspannung einer erfindungsgemäßen Frequenzregelung
zugrunde liegt bzw. das mittels der erfindungsgemäßen Frequenzregelung
verhindert werden kann, dass ein Versorgungsspannungseinbruch einen
bestimmten Wert überschreitet,
ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts in keiner Art
und Weise auf Spannungsregler eingeschränkt. Vielmehr kann auf vorteilhafte
Art und Weise das erfindungsgemäße Konzept
auf jedwede Art der Leistungsversorgung eines getaktet betriebenen
Leistungsverbrauchers angewendet werden, insbesondere also auch
auf Konstantstromquellen.
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Die
Art und Weise, wie die Information über die Änderungsbeträge der individuellen
Taktfrequenzänderungen
erfindungsgemäß erzeugt
oder vorgehalten werden, ist für
die erfolgreiche Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts der nicht-linearen Frequenzregelung
unerheblich. Die individuellen Änderungsbeträge können auf
jedwede Art und Weise entweder vorher festgelegt und gespeichert
oder auch dynamisch erzeugt werden, wozu beispielsweise eine funktionale
Abhängigkeit
der Änderungsbeträge von anderen
Betriebsparametern eines erfindungsgemäßen Systems verwendet werden
kann.
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Auch
ist die gezeigte Implementierung eines erfindungsgemäßen Frequenzreglers 10 beispielhaft. Der
erfindungsgemäße Frequenzregler
kann als diskretes unabhängiges
Bauelement ausgeführt
sein. Die Art der Ausführung
des Frequenzreglers ist jedoch für
die erfolgreiche Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts nicht wesentlich.
So kann ein erfindungsgemäßer Frequenzregler
beispielsweise innerhalb des Verbrauchers 12 implementiert
sein. Dies gilt auf gleiche Art und Weise ebenso für die ihm zugeordnete
Leistungs- bzw. Spannungsversorgung.
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Der
Frequenzregler kann alternativ auch innerhalb des Spannungsreglers
implementiert sein, so dass sich dieser die Regelcharakteristik
des Spannungsreglers entweder durch direkte Messung zugänglich machen
kann oder aber auch ein mathematisches Modell der Reglercharakteristik
besitzt, um das Reglerverhalten im Voraus zu berechnen, um auf Basis
der vorberechnenden Informationen die individuellen Änderungsbeträge der Taktfrequenzänderung
abzuleiten.
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- 10
- Frequenzregler
- 12
- getaktet
betriebener Verbraucher
- 14
- Leistungsverwalter
- 16
- Frequenzindikator
- 18
- Takterzeuger
- 20
- Taktsteuereinrichtung
- 22a,
b
- A,B-Signalwege
- 30
- lineare
Frequenzregelung
- 32a
- erste
nicht-lineare Frequenzregelung
- 32b
- zweite
nicht-lineare Frequenzregelung
- 40
- Tabellenzeile
- 42a
- erste
Spalte
- 42b
- zweite
Spalte
- 42c
- dritte
Spalte
- 50a
- erster
Graph
- 50b
- zweiter
Graph
- 50c
- dritter
Graph
- 60
- getaktet
betriebener Verbraucher
- 62
- Spannungsversorgung
- 64
- Frequenzregler
- 66
- Monitor-Verbindung