【忆芯技术分享第十一期】低碳小能手：忆芯低功耗方案

随着固态闪存硬盘在存储范畴中的普遍利用，SSD硬盘的低功耗技术在消耗级市场越来越有代价。低功耗在SSD硬盘上的利用可以增加移动装备的待机时候，以及明显下降盘片温度，在一些整机功耗的比测中也会有明显的上风。明天我们简单聊聊忆芯的低功耗计划。

先来看下NVMe SPEC中的静态电源治理战略：

Power Objective和Performance Objective:系统层面的利用有功耗和读写性能的方针，功耗和性能的平衡关系大概需求关系作为输入。Power Manager (Host Software): host驱动在获得到device的低功耗设置信息后会天生一个战略，来决议倡议具体的电源状态来满足系统对性能和功耗的设定。NVMe Express Power State：NVMe规定(Identify Controller Data Structure)最多支持32个Power State Descriptor，其中Power State Descriptor 0是必须support 的，其他都是可选。Device收到host发来的电源治理状态会进入到该状态，并影响着SSD现实的性能，该信息会进一步反应。SSD在此闭环控制系统中实现功耗和性能的平衡大概需求关系。

忆芯基于STAR1000P芯片开辟的低功耗计划首要以下：

如图所示，基于芯片开辟的低功耗完整计划。PS1 PS2 PS3 PS4是分歧品级的低功耗状态实现，PS4是设想的最高品级，这也是star1000P芯片能进入的最低功耗状态。APST(Autonomous Power State Transitions)是基于NVMe协议开辟，由host治理的自动电源治理计划。Auto PSx是基于device自动治理电源状态的计划。还有如芯片优化设想计划ACG APD功用，它可以在芯片内各子模块idle的时辰自动进入auto clock gating状态大概auto power down状态。流控计划也可以低当量的下降芯片功耗。这些计划都是可设置、可组合使能的，以期其更大范围内兼容和利用于各类平台和情况，全方位的处理低功耗题目。下面简要先容下低功耗计划实现以及在理论上的一些总结。

低功耗状态：PS1 PS2 PS3 PS4的低功耗状态对应的进入条件信息以及实测功耗如表1所示（带dram计划）。

如表所示PS0是系统工作状态下的状态，NVMe Spec支持1~32电源状态(PS, Power State)。我们设想了1~4种电源状态，PS1在device满足条件便可以进入，PS2,PS3,PS4需要和PCIe协商获得到L1/L1.2中断以后才能进入。Host可以经过下发Set feature号令停止电源状态的转换。

APST简介：属于协议给出的高级电源治理计划，它实现了自动电源治理。SSD假如等着host发Set feature号令停止电源状态的转换，那末其降功耗的结果是比力差的。在理论中会发现host对于电源治理是相当守旧的，分歧的主机守旧水平也有不同，有的主机低频次的倡议Set feature号令来进入低功耗状态，致使SSD保持在低功耗状态的时候会比力短。APST计划下的自动电源治理战略处理了这个题目。

APST战略：在系统初始化进程中，host获得device的电源治理设置信息，会天生一套自动治理电源状态切换的战略表，该表中记录切换时候和切换状态。比如，我们界说了5个PS，而且界说在Idle(PS0) 10ms之落后入PS1, Idle 150ms 进入PS2，Idle 300ms 进入PS3…。在现实测试中发现分歧的主机对同一份device电源治理设置信息天生的切换表参数通常为分歧的，有的主机自动切换每一级的电源状态时候能够较长。APST实现了自动电源治理计划，可是需要依靠host下发的治理战略表来实现自动状态切换。

基于NVMe协议的APST计划在协议设想上相对守旧了些：1.切换时候浪费了进入低功耗的连结时候。2. APST这类切换方式只能由低品级PS状态一级一级切换到深度低功耗状态。对于系统盘来说，实测会发生device还没来得及切换到深度低功耗状态就被host patten打断的场景。设想的PS品级越多，APST自动治理计划低功耗结果越弱。理论考证了低功耗的代价不在于瞬时的功耗能级，而在于不异时候段内SSD可以尽能够的进入并连结在较深度一级的低功耗状态。这样才能最大限度的节俭功耗。

Auto PSx：该计划在device检测到盘idle时自动切换到最高品级的低功耗状态，当最高品级的低功耗状态条件不满足时，会自动回跳一个品级。比如，当前盘支持PS1~PS4，auto PSx计划在device idle的时辰自动切换到PS4状态（这里有和PCIe协商的战略），当条件不满足时会回跳一个品级到PS3，依次类推。在理论中，最高品级的PS状态会有一些数据备份，间接auto到深度低功耗的方式不能获得一本性价比力好的低功耗结果，在大量尝试数据的根本上，我们设定auto PSx计划最高支持到PS3状态，既可以快速进入高品级低功耗状态又可以削减频仍做背景数据备份的题目，获得性价比力高的低功耗结果。

Auto PSx计划具有较短的状态进入期待时候（进入时候以device idle为标准，不受host行为影响）以及间接auto到高品级深度低功耗状态的才能。它削减了APST计划低品级向高品级状态切换的期待时候浪费，也处理了作为系统盘，使能APST方式很难切换到深度低功耗状态就被打断的为难场景。Auto PSx计划可以快速进入到高品级低功耗形式，在丈量的时候段内连结较长时候维度的低功耗状态，在比测理论中对于整机功耗的改良结果明显。固然，auto PSx计划是基于device的计划，host没法感知device的状态，调试稳定是个技术活。

在一个处置器系统中，处置器的低功耗形式需要与PCIe装备的低功耗形式调和的工作，才能优化全部处置器系统的功耗。为了获得更好的低功耗结果，STAR1000P芯片的深度低功耗形式支持使能ASPM功用。

ASPM功用：ASPM的全称Active State Power Management。ASPM是指PCIe链路在没有系统软件介入的情况下，由PCIe链路自觉停止的电源治理方式。低功耗状态PS2/PS3/SP4依靠于链路L1/L1.2状态才能完成PS状态的切换。降功耗结果以实时延如表2：

低功耗技术在SSD的利用上最焦点的三要素是：稳定性，功耗，时延（latency）。在稳定性上，今朝该低功耗计划在一些项目上的利用也有很好的表示，按照平台和利用情况等身分灵活设置响应的低功耗计划，实现最好的低功耗表示。在降功耗结果上，低功耗设想已牢靠利用于带dram以及dramless的SSD计划上，功耗表示实测以下：

该表3/表4测试信息经过DriveMaster工具来获得功耗数据，dram SSD计划和dramless SSD计划在具体设想实现上也是分歧的。测试分析SSD低功耗的工具首要有DriveMaster/示波器/万用表以及PAM (Power Analysis Module)等。

时延（latency）的优化在深度低功耗的实现上是个难点，深度低功耗状态的实现，如PS4深上天考验着低功耗计划的设想架构。当前PS4的latency在dram SSD计划上Entry Latency: 5ms, Exit Latenct：<50ms；在dramless SSD计划上Entry Latency: 5ms, Exit Latenct：<25ms，其他PS状态的latency这里不去赘述了。深度低功耗低时延计划让消耗者在享用极致节电形式的同时，又几近感知不到或不影响用户的操控体验。

在满足协议设定的条件下，SSD的电源治理在计划设想端是自在的，每家设想计划由项目利用处景以及芯片的功耗治理方式决议。充实挖掘以及实现基于芯片的低功耗计划并连系现实利用处景，去实现兼顾稳定性、功耗、时延以及性能、寿命(nand PE)等方针的最优化低功耗计划，从理论角度来说，这也是低功耗计划设想的代价。

忆芯的低功耗设想履历了芯片以及计划的2代迭代慢慢完善，实现了这一方针，以及灵活的可设置计划，并牢靠的利用于一些产物中。技术的深度打磨来历于对产物化的思考以及对尝试数据的不竭总结，随着SSD被普遍的利用，低功耗技术会在协议、芯片设想以及固件计划上进一步的成长，节能、低碳计划将有更大的利用远景。

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