JP2005533296A

JP2005533296A - 電力低減方法およびシステム

Info

Publication number: JP2005533296A
Application number: JP2003538870A
Authority: JP
Inventors: リチャードローレンス
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2005-11-04
Also published as: US20040025061A1; WO2003036448A3; WO2003036448A2; AU2002341958A1; KR20040045914A; TWI223741B; CN1575447A

Abstract

システムの温度および（または）クロック周波数に少なくとも一部分基づいてプロセッサの電圧レベルを調節するシステムおよび方法。

Description

本開示は、広義には消費電力の低減に関する。

より高性能なコンピュータおよび通信製品に対するデマンドにより、より高速のプロセッサが用いられるようになった。プロセッサの高速化によって、通常はより多くの電力を消費する。

しかしながら、例えば、特に携帯通信システムにおいて、バッテリ寿命を延ばす為に電力消費を低減させるという課題が存在する。

本発明は、特許請求の範囲において特定に示され、明確に所有権が主張される。しかしながら、所有権が主張されている本発明は、その目的、特徴、利点と同時に、その構成と操作の方法の双方に関して、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照する事によって最も良好に理解されるであろう。

以下の詳細な説明において、多数の具体的な詳細は、所有権を主張する本発明の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、所有権を主張する本発明が、これらの具体的な詳細を伴わずに実施され得ると言う事が、当業者によって理解されるであろう。また、所有権を主張する本発明の明瞭性を保つために、公知の方法、手順、構成要素および回路は詳述しなかった。

一般に、設計者は、電力消費を低減させる事を望む。通常、プロセッサへの供給電圧は、プロセッサの動作温度とクロック周波数における最悪のシナリオの少なくとも一部に基づく。プロセッサが高温で作動するにつれて、プロセッサのトランジスタの性能が低下し、速度が低下し得る。しかしながら、より高い電圧を供給する事によって、低下したトランジスタの性能が補償され、より高速に作動する事が可能となり得る。

例えば、図１は、プロセッサのクロック周波数と温度に対応するプロセッサの供給電圧の例を示す表である。プロセッサは、−２０℃と約１００℃の間でのような温度範囲中において、約１００ＭＨｚ〜約４００ＭＨｚの間のクロック周波数の範囲中で作動するように設計されている。前述したように、安定した動作のための供給電圧は、最悪のシナリオに基づく。この例において、最悪のシナリオは４００ＭＨｚ・１００℃であるので、特定の温度およびクロック周波数範囲中における安定動作のための供給電圧は、１．６ボルトである。

しかしながら、このシナリオは、単一または有限数のデータ点（図１のような）のみしか考慮しないので、供給電圧の選択のために最悪のシナリオを利用する事によって、供給電圧の選択が制限される。このようなアプローチのマイナスの効果として、電力消費が増加する。例えば、より高い電力消費は、携帯電話、個人用デジタル情報処理端末（ＰＤＡ）、ラップトップおよび他のシステムのようなモバイルシステムのバッテリ寿命に悪影響を及ぼし得る。従って、最悪のシナリオに基づいた供給電圧を使用する事によって、モバイル装置のバッテリ寿命が低下し、設計のフレキシビリティーが減少し得る。

本技術開発の領域は、電力消費の低減により、通信製品およびコンピュータまたはコンピューティング・システムの為により長いバッテリ寿命を達成することに関する。前述されたように、選択される低い供給電圧は、プロセッサの温度およびクロック周波数に関してのプロセッサの意図した動作範囲内における動作の最悪のシナリオに基づく。しかしながら、このようなアプローチはフレキシビリティーを欠き得るし、あるいは非能率的であり得る。例えば、プロセッサは、低温およびより低いクロック周波数において、より低い供給電圧で作動し得る。従って、異なった温度およびクロック周波数に対して供給電圧を調節するより効率的な方法の実施が望まれる。

図２は、一実施形態におけるコンピューティング・システム２００である。システムの実施形態２００は、プロセッサ２０２、温度センサ２０６、電力制御装置２０８、および電源２１０を備えるが、これに限定されるものでは無い。同様に、プロセッサは、メモリ内にデータ２０４を含んでいて良い。本システムは、例えばパーソナルコンピュータ・システム、個人用デジタル情報処理端末（ＰＤＡ）、携帯電話あるいはウェブ・タブレットのようなインターネット通信装置を含んで良い。もちろん、これらは単なる例に過ぎず、所有権を主張する本発明は、これらの例の範囲に制限されない。所有権を主張する本発明は、無線あるいは有線の製品を更に含んでいて良い。これに関しては、図５を参照して詳述される。

所有権を主張する本発明の範囲がこの点で制限されるものではないが、幾つかの実施形態が、以下の同時出願の内容を更に含み得る点に注目されたい（リチャード．Ｈ．ローレンスによる米国特許出願第＿＿号「電力消費の低減の為にメモリ中のデータを管理するシステムおよび方法」（弁護士事務所整理番号Ｐ１１７２５）、および、リチャード．Ｈ．ローレンスによる米国特許出願第＿＿号「メモリの温度および周波数に少なくとも一部基づく電力消費低減の為のシステムおよび方法」（弁護士事務所整理番号Ｐ１１７２４））。

システム２００は、プロセッサの動作温度およびクロック周波数に少なくとも一部分基づいて、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧をプロセッサに供給することができる。１つの様態において、所有権を主張する本発明は、供給電圧が典型的な最悪のシナリオや測定された温度に対応してプロセッサの周波数を減少させる従来技術のスロットリングの手法に基づくのでは無くて、供給電圧が、動作温度またはクロック周波数、あるいはその双方に少なくとも一部基づくと言う点において、先行技術から区別可能である。さらに、所有権を主張する本発明は、軍事利用であるか民事利用であるかの区別、追加のプロセッサの数、対応する温度またはクロック周波数等、追加の要因に基づいて供給電圧を調節しても良い。例えば、システムは複数のプロセッサを備えて良く、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧が、各プロセッサあるいは複数のプロセッサのうちの幾つかのプロセッサに対して個々に計算されても良く、または関連する複数の温度および複数のクロック周波数のうちの少なくとも幾つかの平均に基づいて計算されても良い。

本実施形態において、システム２００は１セットのデータ２０４を受信する。これは、異なる温度および異なるクロック周波数のために計算された、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧を一部分含んでいる。例えば、データのセットは、異なる温度および異なるクロック周波数に対応するプロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧を決定するために、複数のシステムを試験する事によって計算されても良いが、所有権を主張する本発明はこの点において制限されていない。一実施形態において、データのセットは、プロセッサに接続されるフラッシュ・メモリにロードされても良い。

一実施形態において、複数のプロセッサが異なる温度およびクロック周波数によって試験され、プロセッサが選択された温度およびクロック周波数で正確に作動することを保証するべく、供給電圧が計算される。従って、温度とクロック周波数に少なくとも一部分基づいたプロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧を指定するためのデータのセットを決定するために、プロセッサまたはシステムの所定の数量が予め特徴づけられていて良い。例えば、データのセットは、先に議論された図１の表と同様のものであっても良い。もちろん、所有権を主張する本発明はこの点において制限されない。データのセットは、図１に示されるよりも多くのデータ点を有しても良い。例えば、温度範囲は、−４０℃から１２０℃まで、あるいは０℃から６０℃までであっても良い。同様に、供給電圧は、図１に示されるような４０℃インクリメントでは無く、５℃インクリメントで計算されて良い。供給電圧は異なるインクリメントにおける、より大きい、またはより小さいクロック周波数に対応して計算されても良い。同様に、図１のような２次元グラフでは無くて多次元のグラフを作成する為に、先に議論された複数のプロセッサの平均温度の計算と言ったような他の要因を含むようにデータのセットが計算されても良い。従って、多くの技術のうちの任意のものが、所望のデータを提供するために使用されて良い。

データのセットが決定された後、システムはメモリにデータをロードして良い。一実施形態において、メモリはフラッシュ・メモリを含む。しかしながら、所有権を主張する本発明は、特定のストレージ機構または装置にその範囲が制限されない。例えば、データは、動的ランダムアクセス記憶装置（ＤＲＡＭ）、あるいは静的ランダムアクセス記憶装置（ＳＲＡＭ）のような揮発性メモリにロードされても良い。さらに、データのセットはローカルのメモリに存在しなくても良い。例えば、データのセットは、比較と解析のために外部のテスト装置にロードされても良い。また、データは電力制御装置２０８にロードされても良い。同様に、システムは、有線または無線の接続を経由してネットワークよりデータのセットを受信しても良い。

従って、システム２００は、温度センサ２０６によって温度をモニターしても良い。一実施形態において、温度センサは検知されたプロセッサ温度をプロセッサへ転送する。温度センサはプロセッサと統合されていても良い。例えば、センサがプロセッサの設計に組み入れられ、プロセッサの一部として製造されても良いが、本発明の範囲はこの点に制限されない。また、温度センサがプロセッサのパッケージに物理的に取り付けられても良い。他の実施形態において、複数の温度センサがプロセッサの内部または外部に取り付けられ、これらの複数の温度センサの測定を使用して平均温度が計算されて良い。更に他の例において、温度センサは、システムボード上に、あるいはシステムボード近傍数センチメートル内に位置して良く、センサの読み取り値より温度が推定されて良い。

例えば、１つ以上の温度測定を受信した時点で、または受信した後で、前述したように、プロセッサは、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧を決定して良い。一実施形態において、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧は、供給電圧を減少させながら複数のシステムを試験することにより決定される。供給電圧が次第に或る閾値まで減少すると、システムは不十分な供給電圧のために試験に不合格となるであろう。その後、複数のシステムの機能が適切に機能して試験に合格するまで供給電圧がゆっくりと増加させられる。その後、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧が以上の例に基づいて計算される。もちろん、所有権を主張する本発明はこの点に制限されない。

先に議論されたように、一実施形態において、データのセットは図１の表と同様のものであって良い。例えば、２つのデータ点およびデータのセットを基にして、プロセッサまたは電力制御装置が、その時点の供給電圧をデータのセットから得られたプロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧に調節して良い。例えば、電源２１０がシステムに或る時点において１．５ボルトを供給していると仮定する。温度センサが例えば６０℃の温度を検知し、その時点でのプロセッサのクロック周波数が４００ＭＨｚであると測定された場合、プロセッサまたは電力制御装置は、６０℃と検知された温度および４００ＭＨｚのクロック周波数に少なくとも一部分基づいてデータのセットにクエリーを出して良い。データのセットが図１と同様である場合、６０℃と４００ＭＨｚに適合するプロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧は１．４ボルトである。然るに、システムの電圧はその時点で１．５ボルトなので、本実施形態においては、電力消費を低減させるために、供給電圧は１．４ボルトまで低下する。従って、このような実施形態によって、様々な温度およびクロック周波数において供給電圧をフレキシブルかつ効率的に設定する事が可能となる。対照的に、最悪のシナリオによるアプローチは、温度およびクロック周波数が変化した場合であっても、単一の供給電圧を考慮に入れる事しか出来ない。

所有権を主張する本発明の１つの様態は、プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧に供給電圧を設定するための電圧設定コマンドを電源に対して発行するプロセッサまたは電力制御装置を備えても良い。

一実施形態において、電力制御装置は電源に統合されていても良いし、システムの内部に存在しても良い。もちろん、所有権を主張する本発明はこの点において制限されない。例えば、電力制御装置は外部電源供給源に接続されても良い。また、電力制御装置および電源はシステムの外部に存在しても良い。

一実施形態において、所有権を主張する本発明は、通信または無線装置に組み入れられ、かつ（または）Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｘｓｃａｌｅ（登録商標）マイクロアーキテクチャーおよびＩｎｔｅｌ（登録商標）パーソナル・インターネット・クライアント・アーキテクチャ（Ｉｎｔｅｌ（登録商標）ＰＣＡ）で実施され得る。これについては、図３、４および５でさらに議論される。

図３は、一実施形態におけるコンピューティング・システムの概略図である。この概略図は、通信製品のフレキシブルな設計の実施を示す。単一のプロセッサを使用する一実施形態において、ロジック・ブロック３０２および３０４はモジュールのプロセスを表す。本プロセスにおいて、通信用プロセッサおよびアプリケーション・プロセッサは論理上分離され得る。従って、１つの通信用プロセッサのみが無線プロトコルの為に使用され、１つのアプリケーション・プロセッサが１セットのアプリケーションの為に使用されて良い。

通信用プロセッサ３０２は、特定の無線プロトコル用に設計されている。特定プロトコル用ロジックは、デジタル携帯電話（ＰＣＳ）、デジタル携帯電話（ＰＤＣ）、グローバル移動体通信システム（ＧＳＭ）、時分割多重アクセス（ＴＤＭＡ）および符号分割多重アクセス（ＣＤＭＡ）のような複数の既存の無線の標準用に設計される。特定プロトコル用ロジックは、ＩＳ−１３６、ＩＳ−９５、ＩＳ−５４、ＧＳＭ１８００およびＧＳＭ１９００のような様々な標準をサポートすることができる。

通信用プロセッサ３０２は、デジタル・シグナル・プロセッサー（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、およびメモリ、および周辺装置を備えるが、これらに限定されない。アプリケーション・プロセッサ３０４は、マイクロプロセッサ、メモリ、および周辺装置を備えるが、これらに限定されない。アプリケーション・プロセッサは汎用かつ再プログラム可能であって良く、さらに、システム中の、または他の通信製品からの、またはネットワークからのネイティブ・バイナリを実行する事が出来る。従って、アプリケーション・プロセッサは通信用プロセッサに接続され、論理的には分離される。従って、各プロセッサは、通常の逐次処理では無く、並列処理を行う事が出来る。

一実施形態において、通信用プロセッサおよびアプリケーション・プロセッサは単一のシリコン・ウェーハ上に製造されて良い。しかしながら、プロセッサは別々に作動しても良いし、異なるオペレーティング・システムを有しても良い。他の実施形態において、通信用プロセッサおよびアプリケーション・プロセッサは、共通のメモリーコントローラーに接続されて良く、メモリーコントローラーは共通のメモリに接続されて良い。また、各プロセッサはそれぞれのメモリを統合しても良い。例えば、プロセッサは、個別のメモリを持っているのではなく、プロセッサ・ダイ上に存在するメモリを有しても良い。各プロセッサへ統合され得る様々なメモリの例として、フラッシュ・メモリ、静的ランダムアクセス記憶装置および動的ランダムアクセス記憶装置が挙げられる。

本発明の範囲はこの点に制限されないが、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｘｓｃａｌｅ（登録商標）マイクロアーキテクチャーおよびＩｎｔｅｌ（登録商標）パーソナル・インターネット・クライアント・アーキテクチャ（Ｉｎｔｅｌ（登録商標）ＰＣＡ）が、図３に示されるモジュールによる実施をサポートして良い。さらに、本アーキテクチャは、インターネット・コンテンツおよびアプリケーションにアクセスするブラウザーや、音声、グラフィック、ビデオおよびオーディオを含むコンテンツおよびアプリケーションとのインタラクションを可能にするユーザ・インタフェースのような様々な特徴をサポートしても良い。本アーキテクチャは、アプリケーション、通信およびネットワーク・コードへのアクセスを管理し保護するためのファイル・システムを有して良い。本アーキテクチャは、無線キャリヤまたはサービス供給源からの送受信を行うラジオ・インタフェースを考慮に入れても良い。さらに、本アーキテクチャは、アプリケーション・プロセッサのＯＳカーネル、ユーザー・アプリケーション、および通信プロセッサのリアルタイム・オペレーティング・システムの機能およびコンテンツあるいはデータ・ペイロードのシステム管理を考慮に入れても良い。もちろん、所有権を主張する本発明はこの点において制限されない。

図４は、一実施形態におけるコンピューティング・システムの概略図である。ブロック線図４０２は、アプリケーション用と通信用プロセッサが統合された実施を示す。一実施形態において、ブロック線図４０２はマルチプロセッサーを備えたシステムにおいて利用される。ブロック線図は、デジタル・シグナル・プロセッサー（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサおよびメモリ、周辺装置、マイクロプロセッサ、メモリおよび周辺装置を備えるが、これらに限定されない。１つの様態において、単一の統合された論理プロセッサ４０２がアプリケーションと通信の両方の機能をサポートすると言う点に於いて、図４は図３から区別される。対照的に、図３はモジューラ設計であり、個々に通信またはアプリケーションの機能をサポートするための２つのプロセッサを示す。

本発明の範囲はこの点に制限されないが、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｘｓｃａｌｅ（登録商標）マイクロアーキテクチャーおよびＩｎｔｅｌ（登録商標）パーソナル・インターネット・クライアント・アーキテクチャ（Ｉｎｔｅｌ（登録商標）ＰＣＡ）が、図４に示される統合化された実施をサポートして良い。さらに、本アーキテクチャは、インターネット・コンテンツおよびアプリケーションにアクセスするブラウザー、音声、グラフィック、ビデオおよびオーディオを含むコンテンツおよびアプリケーションとのインタラクションを可能にするユーザ・インタフェースのような様々な特徴をサポートしても良い。本アーキテクチャは、アプリケーション、通信およびネットワーク・コードへのアクセスを管理し保護するためのファイル・システムを有して良い。本アーキテクチャは、無線キャリヤまたはサービス供給源からの送受信を行うラジオ・インタフェースを考慮に入れても良い。さらに、本アーキテクチャは、アプリケーション・プロセッサのＯＳカーネル、ユーザー・アプリケーション、および通信プロセッサのリアルタイム・オペレーティング・システムの機能およびコンテンツあるいはデータ・ペイロードのシステム管理を考慮に入れても良い。もちろん、所有権を主張する本発明はこの点において制限されない。

図５は、一実施形態におけるネットワークの概略図である。一実施形態において、図２の電力消費を低減させるための前述のシステム、および図３および４に記述された通信製品およびアーキテクチャのためのモジュールによる実施が、図５に示されるような様々な通信製品中で実施されて良い。例えば、通信製品は、インターネット・タブレット、携帯電話、個人用デジタル情報処理端末、ページャーおよびパーソナル・オーガナイザーを含んで良いが、これに限定されない。さらに、通信製品は有線または無線接続を経由して情報を取得して良い。

もちろん、所有権を主張する本発明はこの点で制限されない。例えば、当業者は、所有権を主張する本発明が低消費電力を提供し、電源としてバッテリを使用するシステムを更に含んでも良い事を認識するだろう。また、所有権を主張する本発明が、熱の拡散を使用するシステムまたはボードを更に含んでも良い。一例として、ラックマウントのエンクロージャに差し込まれた複数のボードを備えるサーバーのラックマウントが挙げられる。このボードは接近した間隔で配置され、大量の電力を消費し得る。従って、所有権を主張する本発明が、電力消費を低減する事によって熱の拡散を改善し得る。

所有権を主張する本発明は特定の実施形態に関して記載されているが、この説明は限定的に解釈される事を意図していない。開示された実施形態、および同様に所有権を主張する本発明の他の実施形態のさまざまな修正が、所有権を主張された本発明の詳細な説明を参照する当業者にとって明らかになる。従って、添付の特許請求の範囲に記載の所有権を主張する本発明の精神または範囲から逸脱する事無くこの種の修正が為され得る事が意図される。

プロセッサの温度およびクロック周波数に対する供給電圧のサンプル・テーブルである。一実施形態におけるコンピューティング・システムの概略図である。一実施形態におけるコンピューティング・システムの概略図である。一実施形態におけるコンピューティング・システムの概略図である。一実施形態におけるネットワークの概略図である。

Claims

システムであって、
調整可能な供給電圧を伴うプロセッサと、
前記プロセッサの温度を検知するために前記プロセッサに接続される少なくとも１つの温度センサと、
を備え、
前記システムが、前記プロセッサの検知された温度および前記プロセッサの検知されたクロック周波数に少なくとも一部分基づいて、前記プロセッサの前記供給電圧をプロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧に調節し、
前記システムが更に、
前記プロセッサの検知されたクロック周波数および前記プロセッサの検知された温度に少なくとも一部分基づいて、前記プロセッサに対する、プロセッサの動作が可能な範囲内における複数の低い供給電圧を格納するフラッシュ・メモリと
を備える、システム。
前記システムが、電力制御装置と統合された電源に接続される、請求項１に記載のシステム。
前記温度センサが前記プロセッサに統合される、請求項１に記載のシステム。
前記温度センサが、前記プロセッサのセラミックのパッケージに取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
前記温度センサが、前記プロセッサから０〜７センチメートル以内に位置する、請求項１に記載のシステム。
前記システムが、個人用デジタル情報処理端末、携帯電話、インターネット・タブレットまたはパーソナルコンピュータの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
物品であって、
命令を格納する記憶媒体を備え、前記記憶媒体が計算プラットホームで実行された場合、
前記システムプロセッサーの温度を検知するステップと、
プロセッサの検知された温度およびプロセッサの検知されたクロック周波数に少なくとも一部分基づいて、プロセッサの動作が可能な範囲内における複数の低い供給電圧を格納するステップと、
前記プロセッサの動作が可能な範囲内における低い供給電圧に、システムの供給電圧をおおよそ調節するコマンドを生成するステップと
によってシステムのプロセッサの供給電圧の調節を実行する、物品。
前記プロセッサの動作が可能な範囲内における複数の低い供給電圧を格納するステップが、前記プロセッサの動作が可能な範囲内における複数の低い供給電圧をフラッシュ・メモリに書き込むステップを備える、請求項７に記載の物品。
前記コマンドを生成するステップが、前記システムプロセッサーから電源に前記コマンドを伝送するステップを備える、請求項７に記載の物品。
前記コマンドを生成するステップが、電力制御装置から電源に前記コマンドを伝送するステップを備える、請求項８に記載の物品。
前記システムが、個人用デジタル情報処理端末、携帯電話、インターネット・タブレットあるいはパーソナルコンピュータの少なくとも１つを備える、請求項７に記載の物品。
プロセッサへの電圧レベルを調節する方法であって、
前記プロセッサの温度および前記プロセッサのクロック周波数を検知するステップと、
前記プロセッサの検知された温度および前記プロセッサのクロック周波数を、プロセッサの検知された温度およびプロセッサの検知されたクロック周波数に対応する、プロセッサの動作が可能な範囲内における複数の低い電圧レベルのデータ・テーブルと比較するステップと、
前記プロセッサの検知された温度および前記プロセッサの検知されたクロック周波数に少なくとも一部分基づいて、前記プロセッサの電圧レベルを前記プロセッサの動作が可能な範囲内における低い電圧レベルに調節するステップと
を備える、方法。
前記データ・テーブルをフラッシュ・メモリに格納するステップを更に備える、請求項１２に記載の方法。
前記電圧レベルを調節するステップが、電圧設定コマンドを生成するステップを備える、請求項１２に記載の方法。
前記電圧設定コマンドを生成するステップが、電源に前記電圧設定コマンドを伝送するステップを備える、請求項１４に記載の方法。