CN107015623A - ***功耗改善方法及其实施改善功耗的*** - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种***功耗改善方法及其实施改善功耗的***。其中，所述***包含多个处理单元以及多个电源，并且每个电源连接多个处理单元中的至少两个处理单元，所述***功耗改善方法包含：检测激活处理单元的条件；响应于已检测的所述条件，识别仅连接非活动处理单元的电源；以及激活所述非活动处理单元中的目标处理单元，其中所述非活动处理单元连接已识别的所述电源。本发明提供的***功耗改善方法及其实施改善功耗的***可改善功耗与电源效率。

Description

***功耗改善方法及其实施改善功耗的***
交叉引用
本发明要求如下优先权：编号为62/263,762，申请日为2015年12月7日的美国临时专利申请。上述美国临时专利申请在此一并作为参考。
技术领域
本发明涉及一种多核处理器***中的电源管理方法。特别地，本发明涉及一种多核处理器***中的功耗改善方法及其实施改善功耗的***。
背景技术
通常，多核处理器***使用稳压器(voltage regulator)给处理器或集群(cluster)供电。稳压器可自动维持恒定电压水平。电子装置中可存在稳压器，例如在计算机电源中，其中上述稳压器稳定处理器以及其他电子组件所用的直流电压。存在多种类型稳压器，例如线性式稳压器(linear regulator)以及开关式稳压器(switchingregulator)。
线性式稳压器以工作在线性区域的装置为基础。线性式稳压器通过改变对负载的阻抗维持恒定输出电压。输入电压与控制输出电压之间的差值作为热量损耗。因为控制输出电压低于输入电压，所以限制了线性式稳压器的效率。
相比之下，开关式稳压器使用可切换开关的主动装置，以维持输出的平均值。通常，现代计算机或计算装置使用开关式稳压器给其处理器以及其他电子组件供电。开关式稳压器有时可称为“降压调节器”、“降压变换器”或“降压器”。
多核处理器***有时可出现处理器之间工作量不平衡的情况。上述不平衡的工作量引起多个处理器之间的不平衡的电量需求。在上述***中，电源效率将成为一个重要议题。
发明内容
有鉴于此，本发明揭露一种***功耗改善方法及其实施改善功耗的***。
根据本发明一实施例，提供一种***功耗改善方法，其中所述***包含多个处理单元以及多个电源，并且每个电源连接多个处理单元中的至少两个处理单元，所述***功耗改善方法包含：检测激活处理单元的条件；响应于已检测的所述条件，识别仅连接非活动处理单元的电源；以及激活所述非活动处理单元中的目标处理单元，其中所述非活动处理单元连接已识别的所述电源。
根据本发明另一实施例，提供一种实施改善功耗的***，包含：多个处理单元；多个电源，其中每个电源连接所示多个处理单元的至少两个处理单元；以及电源管理器，耦接所述多个处理单元，其中，配置所述电源管理器检测激活所述多个处理单元中的一个处理单元的条件；响应于已检测的所述条件，识别仅连接非活动处理单元的电源；以及激活所述非活动处理单元中的目标处理单元，其中所述非活动处理单元连接已识别的所述电源。
本发明提供的***功耗改善方法及其实施改善功耗的***可改善功耗与电源效率。
附图说明
图1是根据本发明实施例描述的多核处理器***的示例结构；
图2A与2B是根据本发明实施例描述的***中连接处理单元的电源的两个示例；
图3A-3E是根据本发明实施例描述的激活以及禁能处理单元的操作序列；
图4是根据本发明实施例描述的电源管理器追踪的信息示意图；
图5是根据本发明实施例描述的管理***中激活与禁能处理单元的方法的流程图；
图6是根据本发明实施例描述的管理***功耗的方法的流程图。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。所属技术领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求项中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
接下来的描述是实现本发明的最佳实施例，其是为了描述本发明原理的目的，并非对本发明的限制。可以理解地是，本发明实施例可由软件、硬件、固件或其任意组合来实现。
值得注意的是，本发明使用的术语“多核处理器***”是包含多个处理器的***。在一个实施例中，每个处理器可为包含一个或多个内核的中央处理单元。或者，一个或多个处理器可为包含一个或多个内核的专用处理器或加速器，其也可称为处理单元。可将多个处理器按照一个或多个集群安排并管理。此外，本发明使用的术语“处理单元”可称为处理器集群、多核处理器或内核。本发明使用的术语“电源”可为给一个或多个处理单元供电并维持供给处理单元的输出电压水平的电路。电源的示例可包含稳压器，例如，开关式稳压器(即“降压器”)或线性式稳压器(例如，低压差电路)。在一个实施例中，***可包含多个降压器，其中每个降压器可为一个或多个处理单元提供不同电压。在本实施例中，每个降压器可称为电源。在其他实施例中，每个降压器为多个低压差电路提供输出电压。每个低压差电路为一个或多个处理单元提供电压。在上述其他实施例中，可将每个低压差电路称为电源。***可包含任意数量降压器及低压差电路的组合。
本发明实施例可改善多核处理器***的功耗。本***包含多个(例如，N个)处理单元以及多个(例如，M个)电源，其中，M与N是大于1的正整数。M个电源的每一个可连接多个处理单元。在典型的低功率使用场景中，处理***工作负载的所需处理单元数量通常小于或等于电源数量(例如，M个)。在一个实施例中，所需处理单元的数量等于或倍数于工作负载中并行任务的数量。工作负载中并行任务的数量有时称为任务层并行(Task-LevelParallelism，TLP)。
当处理工作负载的所需处理单元的数量小于或等于M时，对于每个电源，***的电源管理器仅激活连接这个电源的所有处理单元中的一个处理单元。当每个已激活处理单元从不同电源接收供电时，可改善电源效率以及功耗。相反地，如果多个已激活处理单元从相同电源接收供电并且处理单元中的工作负载不平衡时，***将具有较低电源效率以及较大功耗。
图1是根据本发明实施例描述的多核处理器***100的示例结构。多核处理器***100(下面称为***100)包含处理单元模块112，其中处理单元模块112进一步包含多个处理单元110(例如，PU1、PU2、PU3……PUN)。处理单元110可具有不同电源效率及/或不同处理能力，即处理单元110可为不同处理器类型。本发明使用的术语“处理器类型”或“类型”可涉及处理能力(例如，每秒百万指令所测量的处理能力)及/或电源效率(例如，操作频率范围的功耗所测量的电源效率)的硬件特征。
在处理单元110是不同类型的实施例中，某些处理单元110可比其他处理单元110具有更高功耗以及更高处理能力。具有相似功耗的处理单元110可具有不同处理能力。在实施例中，所有处理单元110可为相同类型。每个处理单元110可通过总线或互联网络访问***存储器130(例如，动态随机存取存储器、其他易失性或非易失性随机存取存储器)。
处理单元110连接包含多个电源160(例如，PS1、PS2、PS3……PSM)的电源模块162。每个电源160连接多个处理单元110，并且每个处理单元110仅连接一个电源160。在一个实施例中，每个电源160是稳压器(例如，降压器或低压差电路)，其向一个或多个处理单元110提供直流电压。电源160将共源电压转换为适用于处理单元110操作的一个或多个直流电压。
在一个实施例中，***100包含电源管理器模块，也称为电源管理器121，以管理电源160给处理单元110的供电。具体地，电源管理器121可决定哪个处理单元110开启或关闭以最优化***100的电源效率。在一个实施例中，电源管理器121可为***100上执行的部分内核120。内核120可为调节***资源存取的部分操作***，并且负责通过控制存取处理器、存储器、磁盘输入/输出以及网络启用用户应用程序以有效共享硬件。在其他实施例中，电源管理器121可为硬件、固件、或软件与硬件/固件的组合。
在一个实施例中，***100可为移动计算装置及/或通信装置(例如，智能手机、平板电脑、笔记本电脑等)的一部分。在一个实施例中，***100可为服务器的一部分。
在一个实施例中，电源管理器121决定激活(activate)以及禁能(deactivate)哪个处理单元110。当将处理单元110从掉电状态(即，不接收供电)或超低功率状态(即，深度睡眠)中开启时，处理单元110是“已激活的”或“活动的”。在超低功率状态的处理单元110消耗的电量可为保持缓存中数据但不足以实施逻辑计算操作的最低电量。已激活的处理单元可正积极处理任务，或进入准备处理任务的待命状态。当处理单元110进入掉电状态或超低功率状态时，处理单元110是“已禁能的”或“非活动的”。
在一个实施例中，电源管理器121也决定每个已激活处理单元110的所需电压。上述所需电压是处理单元110处理所分配工作负载以取得所需性能的最低电压。换言之，对于每个处理单元110，从电源160接收的电压不能小于其所需电压。在运行期间，可改变处理单元110的所需电压以适应处理单元110的工作负载需求中的波动情况。在一个实施例中，电源管理器121在***100上执行动态频率电压调整(DVFS)以动态调整运行期间的每个处理单元110的工作频率及电压，从而使得上述工作电压能适应所需电压的变化。
因此，如果具有不平衡工作负载的多个处理单元110共享相同电源，则具有较大工作负载的处理单元需要较高工作电压，并且具有较小工作负载的另一处理单元将被迫工作在相同电压，其高于所需电压。上述较高电压导致不必要的功耗以及功率低效。因此，本发明所述的***及方法提供一种各种使用场景的电源效率问题的解决方案，其中所需处理单元110的数量不大于电源160的数量。
图2A与2B是根据本发明实施例描述的***100中连接处理单元110的电源160的两个示例。图2A/2B与图1使用相同符号，其中将电源160标记为“PS”并且将处理单元110标记为“PU”。在这些示例中，每个处理单元110连接一个电源160，并且每个电源160连接多个处理单元110(在图2A/2B中仅为两个)，或者每个电源160由多个处理单元110共享。共享电源160的处理单元110可为相同类型或不同类型。
图2A的示例显示4个电源160，其中每个电源160连接相同类型的处理单元110。例如，连接PS1的两个处理单元PU1与PU8可为两个相同处理单元。图2B的示例显示4个电源160，其中每个电源160连接不同类型的处理单元110。例如，连接PS4的两个处理单元PU4与PU5可具有不同的处理能力及/或电源效率。在其他实施例中，某些电源160可连接相同类型处理单元110，并且某些电源160可连接不同类型处理单元110。可以理解的是，***100可包含多于1个的电源160，并且每个电源160可连接任意数量的处理单元110。在实施例中，***100中每个电源160可连接相同数量的处理单元110。在实施例中，***100的电源160可连接不同数量处理单元110。
在具有两种或多种处理单元的异构处理器***中，电源管理器可基于***性能需求、工作负载、功耗、可用性、其他因素等决定激活哪种类型的处理单元。在图2B中，当低性能需求的任务到达时(例如，当所需响应时间小于阈值时)，激活PU1-PU4中的一个处理单元；当高性能需求的任务到达时(例如，当所需响应时间大于阈值时)，激活PU5-PU8中的一个处理单元。
在实施例中，当检测到激活处理单元的条件时，电源管理器121选择仅连接非活动处理单元的电源160，即，当前并不支持任何活动处理单元110的电源160。接着，电源管理器121激活连接至已选择电源160的一个处理单元110。电源管理器121可重复M次上述选择及激活操作，直到***100中的每个电源160具有一个已激活处理单元110为止。
在一个实施例中，激活或禁能处理单元110的条件可包含，但不限于，变化的工作负载或性能需求。然而，也存在其他预定条件。在一个实施例中，电源管理器121使用任务调度器协调操作，其中任务调度器负责当新任务到达时进行任务调度。在电源管理器121开启一个处理单元110后，任务调度器可将新任务安排至上述处理单元。
图3A-3E是根据本发明实施例描述的激活以及禁能处理单元的操作序列。在本实施例中，每个电源(标记为“PS”)连接一个第一类型的处理单元(在电源上方标为“PU”)以及一个第二类型处理单元(在电源下方标为“PU”)。换句话说，处理单元的数量N两倍于电源的数量M。可按照预定顺序激活处理单元。例如，如箭头310所示，可按照第一顺序激活第一类型的处理单元(例如，PU1-PU4)，并且如箭头320所示，可按照第二顺序激活第二类型的处理单元(例如，PU5-PU8)，其中第一顺序与第二顺序相反。
当检测到禁能处理单元的条件时，可按照第二顺序禁能第一类型的处理单元。如果已经按照第一顺序激活第一类型的处理单元，则上述禁能操作从最近激活的处理单元(第一类型)开始执行。可按照第一顺序禁能第二类型的处理单元。如果已经按照第二顺序激活第二类型的处理单元，则上述禁能操作从最近激活的处理单元(第二类型)开始执行。
在图3A中，激活所有第一类型的处理单元(PU1-PU4)，并且如黑色区块所示，禁能所有第二类型的处理单元(PU5-PU8)。当工作负载或性能需求改变时，电源管理器(例如，图1所示的电源管理器121)可决定将已激活处理器从PU1-PU4切换至PU5-PU8，其引发禁能PU1-PU4并激活PU5-PU8。如图3B-3E所示，按照一步步的顺序，禁能PU1-PU4并激活PU5-PU8。在图3B中，禁能PU4并激活PU5。在图3C中，禁能PU3并激活PU6。在图3D中，禁能PU2并激活PU7。在图3E中，禁能PU1并激活PU8。因此，在操作序列结束时，激活所有第二类型的处理单元(PU5-PU8)，并且禁能所有第一类型的处理单元(PU1-PU4)。
在图3A-3E所示的操作序列中，根据图3A所示的箭头320，激活PU5-PU8的顺序与禁能PU1-PU4的顺序相同。在本实施例中，每次激活第二类型的处理单元，禁能连接相同电源的第一类型的处理单元。这样，电源仅对一个已激活处理单元供电。
图4是根据本发明实施例描述的电源管理器(例如，图1所示的电源管理器121)追踪的信息示意图，其中上述信息用于根据图3A所示的箭头310与320指示的预定顺序激活并禁能处理单元。电源管理器121可维持数据结构400，其中电源按序列排列(第一列410所示)。第二列420显示第一类型的处理单元，并且第三列430显示第二类型的处理单元。每个电源连接相同行的两个处理单元。数据结构400也包含每个处理单元的激活/禁能状态。在本示例中，激活状态用“/1”表示，禁能状态用“/0”表示。在其他实施例中，每个处理单元的激活/禁能状态可存储在不同数据结构中，并且可用不同于图4所示的标识符进行标识。可以理解的是，图4中所用的行列仅是为了举例的目的，在其他实施例中，可配置不同于图4的电源及处理单元的信息。
此外，在本示例中，每个处理单元具有包含两个号码的指标。第一号码指示处理单元的激活顺序。禁能顺序与激活顺序相反。使用第二号码来区分不同类型的处理单元。在其他实施例中，数据结构400可包含不同标识符用于传达激活顺序与处理器类型的信息。
图5是根据本发明实施例描述的管理***中激活与禁能处理单元的方法500的流程图。***包含多个电源与多个处理单元，其中处理单元进一步包含第一处理单元集合与第二处理单元集合。第一处理单元与第二处理单元具有不同的处理器类型。第一处理单元与第二处理单元共享每个电源。图2B显示处理单元的非限制示例。在一个实施例中，***100可执行方法500，尤其是可通过图1所示的电源管理器121进行实施。
方法500首先将电源安排入序列中(步骤510)。响应已检测的条件，电源管理器121决定是否激活或禁能处理单元(步骤520)。如果电源管理器121决定激活，则进一步决定激活第一处理单元还是第二处理单元(步骤530)。相似地，如果电源管理器121决定禁能，则进一步决定禁能第一处理单元还是第二处理单元(步骤540)。决定是否激活/禁能第一处理单元或第二处理单元的步骤可基于性能需求、工作负载、可用性、功耗、其他因素等进行。
如果电源管理器121决定激活第一处理单元，按照序列的第一顺序激活一个第一处理单元(步骤531)。第一顺序可与电源排列的顺序相同，或可为另一预定顺序。如果电源管理器121决定激活第二处理单元，按照第二顺序激活一个第二处理单元(步骤533)。第二顺序与第一顺序相反。图3A中的箭头310与320分别表示第一顺序与第二顺序的非限制示例。
如果电源管理器121决定禁能第一处理单元，按照第二顺序禁能一个第一处理单元(步骤542)。如果按照步骤531的顺序执行激活操作，则禁能的第一处理单元是最近激活的第一处理单元。如果电源管理器121决定禁能第二处理单元，按照第一顺序禁能一个第二处理单元(步骤544)。如果按照步骤533的顺序执行激活操作，则禁能的第二处理单元是最近激活的第二处理单元。在激活或禁能处理单元后，方法500可从步骤520重新执行，其中在步骤520中，当检测到条件时，电源管理器121决定是否激活或禁能另一处理单元。
可使用方法500激活并禁能***中的处理单元，其中，每个电源连接两种不同类型的处理单元。当电源连接多个相同类型或不同类型的处理单元时，可使用结合下述图6的方法管理功耗。
图6是根据本发明实施例描述的管理***功耗的方法600的流程图。***包含多个处理单元以及多个电源，例如图1的***100，其中每个电源连接多个处理单元。在一个实施例中，***100可执行方法600，具体地，通过图1的电源管理器121进行实施。
方法600开始于检测激活处理单元的条件(步骤610)。为了响应已检测的条件，电源管理器121识别仅连接非活动处理单元的电源(步骤620)。接着，电源管理器121激活连接所识别电源的非活动处理单元中的目标处理单元(步骤630)。在一个实施例中，可在运行期间重复执行方法600，直到所有电源连接一个已激活处理单元为止。
在一个实施例中，已检测条件可为***性能需求或工作负载的变化，从而使得需要另一处理单元或不同处理单元。其他***条件也可触发处理单元的激活进程。
这样，当所需处理单元的数量不大于***中电源数量时，方法500与600通过改善电源效率管理功耗。此外，方法500有效提供一种激活并禁能处理单元的技术。因此，可改善或最大化***的电源效率。
在性能需求超过阈值场景下，多核处理器***可激活多于电源数量的处理单元。这种场景属于性能驱动，即，对电源效率的考虑变为次要的。本发明实施例可应用于电源效率驱动场景，尤其是所需处理单元数量不大于电源数量的场景。
图5与6的流程图的运作可利用图1的示例进行实施。然而，可以理解的是，图5与6的流程图的运作也可利用不同于图1的示例进行实施，并且图1所示的实施例可执行不同于流程图中的操作。虽然图5与6显示执行操作的特定顺序，但可以理解的是，上述特定顺序仅为示例(例如，其他实施例可按照不同顺序执行操作、结合特定操作、重复特定操作等)。
呈现上述描述以允许本领域技术人员根据特定应用以及其需要的内容实施本发明。所述实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可将上述定义的基本原则应用于其他实施例。因此，本发明不局限于所述的特定实施例，而是符合与揭露的原则及新颖特征相一致的最宽范围。在上述细节描述中，为了提供对本发明的彻底理解，描述了各种特定细节。然而，本领域技术人员可以理解本发明是可实施的。
在不脱离本发明精神或本质特征的情况下，可以其他特定形式实施本发明。描述示例被认为说明的所有方面并且无限制。因此，本发明的范围由权利要求书指示，而非前面描述。所有在权利要求等同的方法与范围中的变化皆属于本发明的涵盖范围。

Claims (20)

1.一种***功耗改善方法，其中所述***包含多个处理单元以及多个电源，并且每个电源连接多个处理单元中的至少两个处理单元，所述***功耗改善方法包含：
检测激活处理单元的条件；
响应于已检测的所述条件，识别仅连接非活动处理单元的电源；以及
激活所述非活动处理单元中的目标处理单元，其中所述非活动处理单元连接已识别的所述电源。
2.如权利要求1所述的***功耗改善方法，其特征在于，所需处理单元的总数量不大于所述***中所述电源的总数量。
3.如权利要求1所述的***功耗改善方法，其特征在于，激活所述目标处理单元的步骤进一步包含：当所述目标处理单元处于掉电状态或超低功率状态时，开启所述目标处理单元。
4.如权利要求3所述的***功耗改善方法，其特征在于，激活所述目标处理单元的步骤进一步包含：在开启所述目标处理单元后，将任务安排至所述目标处理单元。
5.如权利要求1所述的***功耗改善方法，其特征在于，所述多个电源是向所述多个处理单元分别供电的稳压器。
6.如权利要求1所述的***功耗改善方法，其特征在于，每个处理单元是处理器集群、多核处理器或内核。
7.如权利要求1所述的***功耗改善方法，其特征在于，所述多个处理单元包含第一类型的第一处理单元与第二类型的第二处理单元，其中所述第一类型不同于所述第二类型，并且所述第一处理单元中的一个第一处理单元与所述第二处理单元中的一个第二处理单元共享每个电源，所述***功耗改善方法进一步包含：
将所述多个电源安排入序列；
按照所述序列的第一顺序，激活所述第一处理单元；以及
按照第二顺序激活所述第二处理单元，其中所述第一顺序与所述第二顺序相反。
8.如权利要求7所述的***功耗改善方法，其特征在于，进一步包含：
按照所述第二顺序禁能所述第一处理单元；以及
按照所述第一顺序禁能所述第二处理单元。
9.如权利要求8所述的***功耗改善方法，其特征在于，从最近已激活第一处理单元开始禁能所述第一处理单元，并且从最近已激活第二处理单元开始禁能所述第二处理单元。
10.如权利要求7所述的***功耗改善方法，其特征在于，所述第一处理单元与所述第二处理单元具有不同处理能力及/或不同电源效率。
11.一种实施改善功耗的***，包含：
多个处理单元；
多个电源，其中每个电源连接所示多个处理单元的至少两个处理单元；以及
电源管理器，耦接所述多个处理单元，其中，配置所述电源管理器检测激活所述多个处理单元中的一个处理单元的条件；响应于已检测的所述条件，识别仅连接非活动处理单元的电源；以及激活所述非活动处理单元中的目标处理单元，其中所述非活动处理单元连接已识别的所述电源。
12.如权利要求11所述的实施改善功耗的***，其特征在于，所需处理单元的总数量不大于所述***中所述电源的总数量。
13.如权利要求11所述的实施改善功耗的***，其特征在于，当所述目标处理单元处于掉电状态或超低功率状态时，配置所述电源管理器开启所述目标处理单元以激活所述处理单元。
14.如权利要求13所述的实施改善功耗的***，其特征在于，在开启所述目标处理单元后，配置所述电源管理器将任务安排至所述目标处理单元。
15.如权利要求11所述的实施改善功耗的***，其特征在于，所述多个电源是向所述多个处理单元分别供电的稳压器。
16.如权利要求11所述的实施改善功耗的***，其特征在于，每个处理单元是处理器集群、多核处理器或内核。
17.如权利要求11所述的实施改善功耗的***，其特征在于，所述多个处理单元包含第一类型的第一处理单元与第二类型的第二处理单元，其中所述第一类型不同于所述第二类型，并且所述第一处理单元中的一个第一处理单元与所述第二处理单元中的一个第二处理单元共享每个电源，配置所述电源管理器将所述多个电源安排入序列；按照所述序列的第一顺序，激活所述第一处理单元；以及按照第二顺序激活所述第二处理单元，其中所述第一顺序与所述第二顺序相反。
18.如权利要求17所述的实施改善功耗的***，其特征在于，配置所述电源管理器按照所述第二顺序禁能所述第一处理单元；以及按照所述第一顺序禁能所述第二处理单元。
19.如权利要求18所述的实施改善功耗的***，其特征在于，配置所述电源管理器从最近已激活第一处理单元开始禁能所述第一处理单元，并且从最近已激活第二处理单元开始禁能所述第二处理单元。
20.如权利要求17所述的实施改善功耗的***，其特征在于，所述第一处理单元与所述第二处理单元具有不同处理能力及/或不同电源效率。
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