JP5160033B2 - 複数のタイム・フレームに関して電力測定および省電力を行うための方法、システム、および調整技術 - Google Patents

Description

本発明は、総体的には、処理システムにおける省電力機能に関し、詳しくは、電力消費量の変化を推定してシステムの電力消費量を制御するために複数のタイム・フレームの電力測定を使用する省電力方式に関するものである。

現在のコンピュータ・システムは、種々の理由で複雑な省電力方式を組み込んでいる。「ノートブック」、「ラップトップ」のようなポータブル・コンピュータ、およびパーソナル・ディジタル・アシスタント（ＰＤＡ）を含む他のポータブル・ユニットにとって、一次電源はバッテリ電力である。インテリジェント省電力はバッテリの寿命を延ばし、従って、二次電源に接続することなくユーザがシステムを操作し得る時間量を延ばしている。省電力は、ビルディング内で散逸される電力がエネルギの保存および発熱量の低減のために減少するよう、「グリーン・システム」事業に通しても具現化されている。

最近、省電力は、回線電力接続システム、特に高い処理電力コアおよびシステムにおける要件になっている。それは、コンポーネントまたはシステムあるいはその両方が、今や、個々の集積回路またはキャビネットの電力散逸限界を超える総潜在的電力消費レベルを用いて設計されるか、または総使用可能電源が全ユニットの同時動作に対して十分であるようには設計されないためである。例えば、複数のサブシステムを有するマルチプロセシング・システムは設計可能であるが、各サブシステムが同時に必要とする最大の潜在的電力を供給し得ない電源システムを有するだけである。別の例では、過度の電力散逸レベルのために、または過度の電圧降下なしにプロセッサを通して必要な電流レベルを供給する場合の問題点のために、すべてを同時に動作させ得ない複数の実行ユニットを有するマルチプロセシング・システムが設計可能である。電源から得ることができる潜在的な電力は単一の値を有するものではなく、一般には電力レベルと時間との関係であり、この時間は、それを超えると如何なる電力レベルにおいても（保護回路のために、または電圧調整装置における過電流のような絶対的な障害のために）電源が故障するという最大電力レベルまでの大きな電力が短期間で得られる時間である。

一般に、システム内の電力消費量の変化に関する情報は、電流感知から決定される静的電力測定またはシステム内の熱の蓄積を電力消費量に関連付ける熱量測定あるいはその両方によって提供される。いずれも、細分化された省電力方式にとって十分に正確なものではない。２００３年１２月３日に出願された「Method and System for Power Management Including Local Bounding ofDevice Group Power Consumption」と題した米国特許出願番号１０/７２７,３２０号の未決出願に開示されたような細分化された電力消費情報を必要とする省電力方式は、まったく遅い速度で電流消費量を測定するか、またはシステムにおける各装置の電力節約状態に従って行われる計算に基づいて電力消費量を推定する。電流測定は、それらが、いずれの使用電力計算にも影響を与えるシステム電源の瞬間的な電圧を考慮しない場合に精度を欠く。また、装置の状態に基づいた推定は、システムにより消費される実際の電力に対する単なる近似値である。装置またはシステムの負荷計算からの電力推定または作動した全サブユニットに基づいた電力推定は、システムの実際の電力消費量を正確に反映していない。更に、電力サブシステムによって行われる一般的な長期の測定は、熱または電流障害状態の制御のために行われるのが一般的であり、電力消費量の短期の変更を制御するための十分な情報を与えるものではない。従って、実際に使用される電力よりも多くの電力が短期間では使用可能であることがある。或いは、システムが電力の限界の近くで動作している場合、短期間の運転によってシステムが所望の動作電力レベルを超えてしまうことがある。

一般に、電源電流の測定も、細分化された省電力のためには不正確である。特に、電源の出力において生じるわずかな電圧降下によって行われる電流測定は、一般に、システムに供給される電力を中断することなく正確に調整することが難しい。

従って、システムの電力が最適化されるように短期および長期の両方の制約条件を反映したシステムおよび装置の電力消費量に関するより正確な測定に応答して処理システム内の省電力を行うための方法およびシステムを提供することが望ましい。更に、システムへの電力を中断することなく電力測定を調整するための方法および装置を提供することが望ましいであろう。
米国特許出願１０/７２７,３２０号

本発明は、細分化された電力測定に応答して処理システム内の省電力を行うための電力測定および省電力のための方法およびシステムを提供する。更に、本発明は、システムの電力を中断することなく測定を調整するための方法および装置を提供する。

本発明の省電力のための方法およびシステムは、１つまたは複数の電源によって、異なる長さの複数のタイム・フレームにわたって供給された電力を測定し、しかる後、その測定に応答してシステムの電力消費量を調節する。システムの電力がいずれかのタイム・フレームに対して許容可能な消費レベルを超えるかどうかを決定するために、それらの測定値が複数の閾値と比較される。別の方法として、あるいは、それと協調して、或るインデマンド（in-demand）装置を省電力化しようとするとき、システム動作が最適にされるようにそれらの測定値を最小閾値と比較することも可能である。その方法は、電力消費量を効率的に測定することおよび複数の装置における各装置においてそれの限界を設けることによって、サブユニット・レベルで遂行することが可能である。別の方法として、それらの測定がシステムまたは装置レベルで行われ、システム全体を省電力化する総合的な省電力アルゴリズムに通知されてもよい。

省電力ハードウェアまたはソフトウェアあるいはその両方が、各タイム・フレームに対して電源の電流および電圧を決定するために複数のフィルタの各１つを使用し、Ａ／Ｄコンバータおよびフィルタリング・アルゴリズムによって具現化することも可能である。Ａ／Ｄコンバータは、ナイキスト・レートよりも大きい頻度情報を電源の電圧および電流測定から除去することによって測定の精度を改善するために、平滑化フィルタにより先行される。

電圧測定の調整は、高精度の電圧源を測定することによって達成される。電流測定の調整は、高精度の基準抵抗器と高精度の電圧源により制御される高精度の電流源とを介して既知の電圧降下を生じさせることによって達成される。その電圧降下は、電流測定電圧降下のように電源の感知抵抗器の入力ノードから発生され、従って、電流調整測定は基準抵抗器のまたがって差動的に行われ、一方、実際の電流測定は電源の感知抵抗器にまたがって差動的に行われる。同じ平滑化フィルタおよびＡ／Ｄコンバータが調整プロセスにおいて使用され、従って、共通モード電圧時のシステムにおけるすべての非線形性およびオフセットが考慮される。従って、その結果生じる測定は、感知抵抗器の入力ノードにおいて同じ共通モード電圧を有し、電流源および基準抵抗器を適切に選択することによって第２の測定ノードにおける精度に対して適合した共通モード電圧を有することが可能である。

本発明に関する上記のおよび他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示されるような本発明の好適な実施例に関する以下の更に詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、電源の電流および電圧の測定値に従って個々の装置またはシステム全体の電力消費量を正確に測定し、その測定に従って省電力の設定を上方または下方あるいはその両方に調節する省電力のための技術に関するものである。１つの新規な測定方式は、複数の異なる所定期間にわたって電流および電圧波形をフィルタする（例えば、統合する）ことによって複数のタイム・スケールにわたって電力消費情報を提供する。その複数のタイム・スケールの測定は、使用可能な電力の最適な使用および各タイム・フレームに対する電源の過負荷状態の回避を提供する。

図１を参照すると、本発明の実施例に従って処理システムが示される。処理サブシステム１０Ａ〜１０Ｄはシステム全体における同じサブユニットを示し、処理サブシステム１０Ａ〜１０Ｄの間の相互接続は詳述されないし、周辺装置に対する接続も詳述されない。しかし、そのような接続および装置が一般に処理システムには存在すること、および本発明の技術が一般に処理システムおよび電子システムにおける周辺装置に適用し得ることは当然である。

電源ユニット（ＰＳＵ）１６は、処理サブシステム１０Ａ〜１０Ｄに電力を供給し、連携して動作する複数の電源ユニットを含み得るし、あるいはシステムの個別の区分に電力を供給することが可能である。ＰＳＵ１６内には電力測定ユニット１２が示され、処理サブユニット１０Ａ内には別の測定ユニット１２Ａが設けられる。感知装置（一般には抵抗器）１８および１８Ａは、システムにより消費される電流の測定（感知装置１８を介して）または個々のサブシステムまたは装置により消費される電流の測定（感知装置１８Ａを介して）を電力測定ユニット１２および１２Ａにもたらす。感知装置１８Ａおよび１８Ａは、サブシステムに対するハイ・サイド（high-side）電源接続を表すために別々に示される（電源リターン・パスは示されない）。分散した測定ユニット１２Ａが存在する場合、測定ユニット１２は、一般には使用されないであろうが完璧を期するために示される。限界を設定されなければならない総システム電力消費量、または前記米国特許出願により課せられた限界のようなローカル限界を強制するために使用されるローカル電力消費量、に関する完全な状況を電力測定が表す限り、電力測定は如何なるレベルにおいても行うことができるためである。従って、本発明の技術は、前記米国特許出願において開示された技術に関連して使用することができ、種々のタイム・スケールに対して装置の電力消費量のローカル限界設定を強制および最適化し得る機構を提供する。

電力消費量の制御は種々の方法で遂行することが可能である。本願では、「省電力化された装置」と呼ばれるものは、省電力コマンドに応答して電力消費量を変化させる装置のみならず、電源回線を装置またはサブシステムから切り離す個別の電力制御電子装置を含む装置またはサブシステムも含み、あるいは一次出力電力をディセーブルするためのコマンドまたは信号に応答するサブシステムに電力を供給する電源も含む。測定装置１２Ａから、本発明の測定に応答して電力消費量を調節することができる宛先までの制御パスを示すために、ローカル省電力ユニット（ＰＭＵ）１４Ａが処理システム１０Ａ内に図示され、それは、一般には、測定ユニット１２Ａまたは測定ユニット１２から受け取った情報に応答して省電力を行うプロセッサおよびプログラム命令であろう。しかし、それとは別にまたはそれと組み合わせて、測定ユニット１２Ａまたは測定ユニット１２からの情報を、装置の省電力状態をトップダウンの観点から制御するグローバルＰＭＵ１４に送ることも可能である。一般に、グローバルＰＭＵ１４は、処理サブシステム１０Ａにおける任意のプロセッサまたは図示のシステムに結合された他のプロセッサにおいて実行されるオペレーティング・システムまたはＢＩＯＳプログラム命令である。しかし、グローバルＰＭＵ１４のハードウェアの具現化は、例えば、ハードウェア・コントローラが、サブシステムに電力を供給するための個々の電源のバンクを制御するかまたは複数のサブシステムの省電力状態を信号することによって制御するとき、本発明のシステムにおいて使用することを意図される。その例では、グローバルＰＭＵ１４が、省電力に影響を与えるために個々の装置または電源に信号する。

一般に、グローバルＰＭＵ１４およびローカルＰＭＵ１４Ａのいずれも、ローカル制御が実際に行われる場合、システムにおいて使用されるであろう。それは、すべての情報並びに省電力状態の電力使用および制御がローカル・レベルで含まれる場合、ローカル制限設定だけがサポートされ、システム電源全体が最適な方法で使用され得ないためである。このため、本発明は電力消費量の分析および制御のためにローカルの複数のタイム・フレーム電力波形を提供するのみならず、波形情報または波形情報の複合関数をグローバルＰＭＵ１４に直接送る。グローバルＰＭＵ１４は、如何なる省電力制御も与えないかもしれないが、ＰＳＵ１６からの利用可能な電力の使用を最適化するように各処理サブシステムのローカル制限を調節することが可能である。それとは別に、またはそれと組み合わせて、グローバルＰＭＵ１４またはローカルＰＭＵ１４Ａは、オペレーティング・システム、または所与のプロセッサに対して多少のスレッドをスケジュールすることによって省電力制御に影響を与えるスケジューラのようなプロセッサ制御機能を表示してもよく、ＣＰＵの動作周波数を調節してもよく、プロセッサ内の制御ブロック、あるいは装置またはプロセッサにおける省電力を生じさせる他の任意の機構をディセーブルしてもよい。このように、「省電力状態を調節する」という技術は上記の技術を含むものと理解されるべきであり、特定の省電力コマンド構造に限定されると解釈するべきではない。

次に図２を参照すると、本発明の実施例に従って電力測定回路が示される。この回路は、本発明の別の実施例による調整回路を含むものである。１２Ｖの電源入力が感知抵抗器Ｒs を介してＰＭＵ２２において受け取られる。感知抵抗器Ｒs の入力側は差動増幅器Ａ１にも接続される。感知抵抗器Ｒs の出力端子と電流測定調整回路の出力とのどちらかをセレクタ２４Ａが選択するので、サービス・プロセッサ２９によって供給された調整／測定信号が調整の状態にあるとき、電流測定回路は、トランジスタＱ１、抵抗器Ｒv、ツェナー・ダイオードＶＲ１、および抵抗器Ｒ１により形成された高精度の電流基準による基準抵抗器Ｒr にまたがって発生される電圧降下を測定することによって調整される。抵抗器Ｒrを介して取り出された電流は、ＰＭＵ２２が設けられている装置の消費電力の一部を形成し、従って、使用可能な電力を減少させるほどではないわずかな電流でなければならず、抵抗器Ｒrは、抵抗器Ｒs およびＲr にまたがる電圧降下が正規の動作状態の下ではほぼ等しくなるようにスケーリングされる。電源出力の共通モード電圧における（一般的な場合のように抵抗器Ｒsにまたがる電圧降下に対応した特定の電圧基準におけるものではない）電流測定回路の調整は、電源の共通モード電圧において調整値のない非線形誤差を生じる。それは、増幅器Ａ１およびセレクタ２４Ａがそれらの自身の電源レールの付近で動作しているとき（例えば、測定回路に電力供給するための高い電圧源が得られないとき）、重要となり得る
。

ＰＭＵ２２の電圧測定部分は、調整／測定信号が測定状態にあるときに抵抗器Ｒ２およびＲ３によって与えられる電源電圧の分割形体と、調整／測定信号が調整状態にあるときに抵抗器Ｒr にまたがって生じる基準電圧とのどちらかを選択するセレクタ２４Ｂを介して与えられる。電圧および電流調整信号または測定信号が、ナイキスト・レート（fs/2）よりも大きな頻度で電源から高調波を除去する対応の平滑化フィルタの入力に供給され、電圧または電流波形がアナログ・ディジタル・コンバータ（ＡＤＣ）２８に入力として選択される。次に、サービス・プロセッサ２９が電流波形および電圧波形の両方のサンプルを累積し、周期的な調整インターバル時に得られる調整値によってそれらを調節し、複数のタイム・スケールに従って電流および電圧波形のフィルタリングを行う。実際には、フィルタリング・アルゴリズムは重み付けされてない平均化アルゴリズムまたはもっと複雑な重み付けされたフィルタであってもよく、フィードバック・ベースのディジタルフィルタリングが使用されてもよい。最長のタイム・フレーム・フィルタは一般にローパス特性を有するけれども、ローパス・フィルタまたはバンドパス・フィルタがタイム・フレーム・フィルタの代わりに使用されてもよい。バンドパス・フィルタの使用は、対応するタイム・フレーム中の絶対的な電力消費量ではなく、単に電力消費量における相体的な変化情報を提供するであろう。なお、その絶対的な電力消費量は計算を複雑にし、従って、一般には望ましくない。

次に、各タイム・フレームにおける装置またはシステムの実際の電力消費量を決定するために、各タイム・フレームに対応するフィルタされた電流および電圧波形が掛け算される。１ms、６０ms、および１秒のタイム・フレームを有する３つのフィルタのセットがテストされた。それらは電力消費量の変化に対する十分な応答性を与えるために示される。しかし、システムおよび電源の状況に従って、任意の数のフィルタおよび波形を使用することが可能である。サービス・プロセッサ２９は、システムにおける１つまたは複数の装置の省電力状態を調節すべきか否かを決定するために、上記の計算された電力波形を使用する。装置は、一般に、電力測定の下流であるが、これは、システムの１つの区分における消費電力量に関する情報が全体の電力消費量に関連し、従って、１つの区分における電力消費量に関する情報が別の区分における電力消費レベルを調節するために使用可能であるので、本発明を限定するものではない。例えば、特定の装置に関する要求ベースの電力消費量がそれの予算よりも低いという決定に応答して、省電力がリソースのオンライン利用可能度を高めるシステムでは、そのシステムが他の装置におけるリソースの利用可能度を高めることもある。

実施例では、サービス・プロセッサ２９が各タイム・フレームの電力波形を最大および最小閾値と比較し、省電力制御を直接に行うか、または、その比較に応答して省電力を行わせるために省電力情報を他のユニット、オペレーティング・システム、またはＢＩＯＳに連絡する。複数のタイム・フレームの比較は、単一のタイム・フレーム方式による可能なレベルよりも高い短期の電力レベルを使用する能力を省電力方式に与える。更に、複数のタイム・フレームの比較は、如何なる熱的なまたは正規の省電力よりも一般的には高い応答性を与えるので、障害を生じ得る状態の変化を素早く検出し、防止することが可能である。

次に図３を参照すると、本発明の実施例に従って、省電力ユニットが示される。この図は、アナログ、ディジタル、またはスイッチ・キャパシタのハードウェアで具現化することが可能な機能レベルの説明を提供するか、またはサービス・プロセッサ２９のようなプログラム命令を実行するプロセッサによって具現化することが可能である。電流測定回路４０Ａおよび電圧測定回路４０Ｂの出力は、複数のタイム・フレーム波形を与えるそれぞれのフィルタ・セット４２Ａ〜４２Ｃおよび４２Ｄ〜４２Ｆに供給される。そこで、乗算装置のセット４６Ａ〜４６Ｃが電流および電圧波形を掛け算し、タイム・フレーム電力波形を最大または最小あるいはその両方の閾値に比較する比較ユニット４４に入力を供給する。比較ユニット４４は、システムまたは装置あるいはその両方の電力消費量がその比較に応答して調節されるよう、ローカルＰＭＵまたはグローバルＰＭＵあるいはその両方に情報を供給する。

この図は、上記省電力の計算および比較を具現化するアーキテクチャの具体的な例を与えるけれども、図示のアーキテクチャは限定事項として解釈されるべきではない。例えば、フィルタリングは、電流測定回路４０Ａおよび電圧測定回路４０Ｂの出力の１回の乗算後に行うことも可能であり、比較ユニットは、その結果生じるフィルタされた電力波形の更に複雑な処理を、電力消費の動向と最大電力消費量または所望の最小電力消費量あるいはその両方との間の機能的関係として行うことも可能である。更に、別の方法として、フィルタ・セット４２Ａ〜４２Ｃおよび４２Ｄ〜４２Ｆは、最も短いターム・フレーム・フィルタがカスケード等において最初に配列されるカスケード・フィルタのセットであってもよい。

次に図４を参照すると、本発明の実施例による省電力方法がフローチャートで示される。先ず、電流および電圧測定に対する調整値が得られ（ステップ４０）、各タイム・スケールに対する最大または最小あるいはその両方の電力消費量限界が決定される（ステップ４２）。次に、各タイム・フレームにおける電流および電圧が測定され、電力波形が計算される（ステップ４４）。各タイム・フレームの波形が最小または最大あるいはその両方の制約と比較され（ステップ４６）、しかる後、電力使用が特定のタイム・スケールに対する限界を外れる場合（判断４８）、装置の省電力レベルが限界の比較に従って調節される（ステップ５０）。そこで、その方式が終了するまでまたはシステムがシャットダウンするまで、電流および電圧測定、電力計算、および比較が繰り返される（ステップ５２）。

本発明を好適な実施例に関連して詳細に示し、説明したが、本発明の真意および範囲から逸脱することなく、前述のおよびそれとは別の形式および細部に関する変更を行い得ることは当業者には明らかであろう。

本発明の実施例によるコンピュータ・システムのブロック図である。 本発明の実施例による電源測定回路を示すブロック図であり、それは本発明の別の実施例による調整回路を含む。 本発明の実施例による電力測定ユニットを示すブロック図である。 本発明の実施例による方法を示すフローチャートである。

Claims (8)

1. １つのシステムであって、
   前記システムに電力を供給するための電源と、
   前記電源の出力に結合され、複数のタイム・フレームに関して前記システムの少なくとも一部分の電力消費量を決定し、前記システムにおける電力消費量が調節されるべきか否かの表示を発生するための少なくとも１つの電力測定回路であって、前記システムの前記少なくとも一部分に供給された電流および電圧を測定する電力測定回路と、
   前記電流および前記電圧から電力波形を計算して、前記複数のタイム・フレームの測定値を生じさせるように前記電力波形をフィルタするためのプロセッサと
   前記電源に結合された少なくとも１つの省電力化された装置と、
   を含み、
   前記少なくとも１つの省電力化された装置の省電力状態が前記電力測定回路からの前記表示に従って制御される、システム。
2. 前記電力測定回路が、
   前記電源の出力に結合され、電圧および電流の測定結果を発生するためのアナログ・ディジタル・コンバータと、
   前記複数のタイム・フレームに関して前記電力消費量を計算するために前記コンバータのディジタル出力を処理するためのプロセッサと、
   を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電力測定回路が、更に、前記電源の出力と前記アナログ・ディジタル・コンバータとの間に結合された平滑化フィルタを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記電力測定回路が複数のローパス・フィルタを含み、
   前記ローパス・フィルタの各々が前記複数のタイム・フレームの１つに対応したグループ遅延を有し、各フィルタが前記複数のタイム・フレームの１つに対応した波形を提供するように前記電源の出力に結合される、請求項１に記載のシステム。
5. 前記複数のタイム・フレームの測定値の各々を、各タイム・フレームに対して１つの閾値から成る複数の閾値のうちの対応する閾値と比較するためのプログラム命令を実行するプロセッサを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記プロセッサが前記測定値を所定の最大閾値のセットと比較し、前記比較に応答して、対応する所定の最大閾値を越えるすべてのタイム・フレームにおける電力消費量を減少させるように前記制御を遂行する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記プロセッサが、更に、前記測定値を所定の最小閾値のセットと比較し、
   前記制御が、更に、前記比較に応答して、対応する所定の最小閾値を越えないすべてのタイム・フレームにおける電力消費量を増加させるように遂行される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記プロセッサが前記測定値を所定の最小閾値のセットと比較し、
   前記制御が、前記比較に応答して、対応する所定の最小閾値を越えないすべてのタイム・フレームにおける電力消費量を増加させるように遂行される、請求項５に記載のシステム。

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