產品設計早期階段的功率評估主要使用電子表格等分析方法進行。這些電子表格通常包含不同任務或設備的功率，并且該表添加了最壞情況或功率的平均值。這些方法提供了一些見解，但它們未能捕捉到功耗的并發性質。此外，這些模型是單獨評估的，不包含任務時序，并涵蓋了用例的整個設計空間。

電源管理是電子產品中的一個關鍵設計因素。消費類應用、天基系統、數據中心解決方案和高性能計算的產品特性受到功率預算的限制。原因是客戶需求、鋰離子電池的重量和安裝太陽能電池板的物理空間。目標硬件資源上應用程序任務圖的效率決定了能耗，并決定了電池選擇、能量收集和額外的電源管理。

必須從電子、顯示器、電氣和 MEMS 技術、電池和其他能量存儲以及電機和太陽能電池板等采集器的功耗的整體角度來看待電源。在系統級別，能源使用由用戶案例、每次運行的啟動次數和持續時間、復雜電子設備的電源狀態、基于活動或不活動的狀態機改變狀態以及功率最小化算法確定。在電池中，它是關于受請求峰值、充電速率、熱和物理沖擊以及每個電池系列屬性影響的生命周期。能量收集器與正確的角度或線圈、太陽光線和核材料等來源的可用性以及需求峰值有關。

多年來，已經提出了許多電源管理算法。隨著時間的推移，這些算法已經變得根深蒂固，并且它們的局限性暴露出來。因此，這些算法已經在約束條件下發展或被基于軟件的電源管理所取代。更小的半導體工藝尺寸增加了泄漏功率，更大的處理器增加了熱絕緣要求，并且高帶寬傳感器數量的增加導致在更短的時間內需要更高的阻力。數據移動的減少、軟件任務的分配、任務調度和替代拓撲的選擇也會影響功率。

實驗

讓我們舉幾個簡單的例子，看看各種架構決策對功耗的影響。一個是混合動力汽車，另一個是 Cubesat，第三個是多核片上系統或處理器。

在混合動力汽車中，我們著眼于為電池充電并為系統中所有節點供電的電機產生的能量。VisualSim 中的系統仿真框圖如圖 1 所示。對于特定配置，生成的報告如圖 2 所示。從總功率圖中可以看出，峰值功率的請求持續時間非常短時間。您還可以查看哪些設備同時激活，哪些設備很少或隨機打開。此電源配置文件提供了對低功耗活動時段、禁用設備或網絡的機會以及電池大小的可見性。

圖 1：VisualSim 中混合動力 SUV 的系統級功率模型框圖。

圖 2：VisualSim 中 Hybrid SUV 模型的功率曲線。

第二種設計是由多個子系統組成的 CubeSat 系統，并從光伏電池接收電力。該設計結合了衛星在陽光直射和日食期間的行為。用例是在每個軌道上定義的，處理過程會考慮一天中的時間、啟用的任務數量、每個任務期間活動的子系統以及活動的持續時間。處理設備在放電期間設置為較低的速度，在充電期間處于全性能狀態。圖 3 顯示了 CubeSat 的框圖，它包含四個部分：每個軌道用例的任務圖、電池和光伏電池、子系統及其與總線和調度程序的連接。圖 4 顯示了 10，000 個軌道的平均和瞬時功率，

圖 3：VisualSim 中用于評估功率、時間期限和任務到系統分配的 Cubesat 框圖。

圖 4：CubeSat 架構探索模型的電源和活動視圖。

最后一個示例是具有自定義調度程序的多核片上系統，而不是實時操作系統。有四個線程同時運行，處理時間不同。在此示例中，我們評估了在任務到達時調度任務與提供偏移量的影響。評估指標是延遲增加與功耗降低。圖 5 顯示了多核架構的功耗和延遲的仿真結果，沒有任務偏移。如您所見，所有四個內核都在使用中。圖 6 顯示了并行任務之間使用偏移量為 35.0 的類似圖。您可以看到延遲完全沒有受到影響，但活動內核的數量已減少到兩個。我們降低了成本，也降低了功耗。如果要求可以處理額外的延遲，

圖 5：并發任務之間沒有偏移的多核架構模型。

圖 6：多核架構的功耗、延遲和活動圖，并發任務之間的偏移量很小。

我們使用 Mirabilis Design 的 VisualSim 進行分析。VisualSim Architect 是用于電子和半導體架構探索的圖形建模和仿真。我們使用 VisualSim 的預構建庫和標準報告進行設計分析。建模環境使我們能夠捕捉電子、電氣子系統和 MEMS 的時序和功耗。結果，我們可以獲得整個系統的全局視圖。多核架構使用 ARM Cortex A53 的四核周期精確模型。我們之所以選擇 A53，是因為處理器供應商提供了廣泛的片上系統 （SoC），并且 FPGA 供應商已將其整合到他們的新一代 MPSoC FPGA 中。所有三個模型都在大約兩周的時間內構建和評估。

結論

系統級建模可用于在項目開始時測量功耗。模型必須將所有子系統的時序、功率和功能整合到架構模型中。這確保您可以查看系統不同部分之間的交互，還可以查看您如何通過共享資源獲得優勢，同時不放棄任何性能。為了評估系統建模的真正好處，我們對大型系統、嵌入式架構和半導體進行了測試。我們發現即使評估可能不同，相同的方法也可以應用于這些細分市場。VisualSim Architect 擁有所有這些應用程序部分的庫，這使我們能夠加快模型開發。

審核編輯：郭婷