低碳小能手：忆芯低功耗方案

随着固态闪存硬盘在存储领域中的广泛使用，SSD硬盘的低功耗技术在消费级市场越来越有价值。低功耗在SSD硬盘上的应用可以增加移动设备的待机时间，以及显著降低盘片温度，在一些整机功耗的比测中也会有显著的优势。今天我们简单聊聊忆芯的低功耗方案。
先来看下NVMe SPEC中的动态电源管理策略：
图1：Dynamic Power Management
Power Objective和Performance Objective: 系统层面的应用有功耗和读写性能的目标，功耗和性能的平衡关系或者需求关系作为输入。Power Manager (Host Software): host驱动在获取到device的低功耗配置信息后会生成一个策略，来决定发起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发来的电源管理状态会进入到该状态，并影响着SSD实际的性能，该信息会进一步反馈。SSD在此闭环控制系统中实现功耗和性能的平衡或者需求关系。
忆芯基于STAR1000P芯片开发的低功耗方案主要如下：
图2：基于STAR1000P的低功耗方案
如图所示，基于芯片开发的低功耗完整方案。PS1 PS2 PS3 PS4是不同等级的低功耗状态实现，PS4是设计的最高等级，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协议开发，由host管理的自动电源管理方案。Auto PSx是基于device自动管理电源状态的方案。还有如芯片优化设计方案ACG APD功能，它可以在芯片内各子模块idle的时候自动进入auto clock gating状态或者auto power down状态。流控方案也可以低当量的降低芯片功耗。这些方案都是可配置、可组合使能的，以期其更大范围内兼容和应用于各种平台和环境，全方位的解决低功耗问题。下面简要介绍下低功耗方案实现以及在实践上的一些总结。
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方案）。
表1：低功耗进出条件以及实测功耗
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)。我们设计了1~4种电源状态，PS1在device满足条件就可以进入，PS2,PS3,PS4需要和PCIe协商获取到L1/L1.2中断之后才能进入。Host可以通过下发Set feature命令进行电源状态的转换。
APST简介：属于协议给出的高级电源管理方案，它实现了自动电源管理。SSD如果等着host发Set feature命令进行电源状态的转换，那么其降功耗的效果是比较差的。在实践中会发现host对于电源管理是相当保守的，不同的主机保守程度也有差别，有的主机低频次的发起Set feature命令来进入低功耗状态，导致SSD维持在低功耗状态的时间会比较短。APST方案下的自动电源管理策略解决了这个问题。
APST策略：在系统初始化过程中，host获得device的电源管理配置信息，会生成一套自动管理电源状态切换的策略表，该表中记录切换时间和切换状态。比如，我们定义了5个PS，并且定义在Idle(PS0) 10ms之后进入PS1, Idle 150ms 进入PS2，Idle 300ms 进入PS3…。在实际测试中发现不同的主机对同一份device电源管理配置信息生成的切换表参数一般是不同的，有的主机自动切换每一级的电源状态时间可能较长。APST实现了自动电源管理方案，但是需要依赖host下发的管理策略表来实现自动状态切换。
基于NVMe协议的APST方案在协议设计上相对保守了些：1.切换时间浪费了进入低功耗的保持时间。2. APST这种切换方式只能由低等级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。设计的PS等级越多，APST自动管理方案低功耗效果越弱。实践验证了低功耗的价值不在于瞬时的功耗能级，而在于相同时间段内SSD可以尽可能的进入并保持在较深度一级的低功耗状态。这样才能最大限度的节约功耗。
Auto PSx：该方案在device检测到盘idle时自动切换到最高等级的低功耗状态，当最高等级的低功耗状态条件不满足时，会自动回跳一个等级。比如，当前盘支持PS1~PS4，auto PSx方案在device idle的时候自动切换到PS4状态（这里有和PCIe协商的策略），当条件不满足时会回跳一个等级到PS3，依次类推。在实践中，最高等级的PS状态会有一些数据备份，直接auto到深度低功耗的方式不能得到一个性价比较好的低功耗效果，在大量实验数据的基础上，我们设定auto PSx方案最高支持到PS3状态，既可以快速进入高等级低功耗状态又可以减少频繁做后台数据备份的问题，获得性价比较高的低功耗效果。
Auto PSx方案具有较短的状态进入等待时间（进入时间以device idle为标准，不受host行为影响）以及直接auto到高等级深度低功耗状态的能力。它减少了APST方案低等级向高等级状态切换的等待时间浪费，也解决了作为系统盘，使能APST方式很难切换到深度低功耗状态就被打断的尴尬场景。Auto PSx方案可以快速进入到高等级低功耗模式，在测量的时间段内保持较长时间维度的低功耗状态，在比测实践中对于整机功耗的改善效果显著。当然，auto PSx方案是基于device的方案，host无法感知device的状态，调试稳定是个技术活。
在一个处理器系统中，处理器的低功耗模式需要与PCIe设备的低功耗模式协调的工作，才能优化整个处理器系统的功耗。为了获得更好的低功耗效果，STAR1000P芯片的深度低功耗模式支持使能ASPM功能。
ASPM功能：ASPM的全称Active State Power Management。ASPM是指PCIe链路在没有系统软件参与的情况下，由PCIe链路自发进行的电源管理方式。低功耗状态PS2/PS3/SP4依赖于链路L1/L1.2状态才能完成PS状态的切换。降功耗效果以及时延如表2：
表2：L1,L1.1,L1.2功耗和时延对比低功耗技术在SSD的应用上最核心的三要素是：稳定性，功耗，时延（latency）。在稳定性上，目前该低功耗方案在一些项目上的应用也有很好的表现，根据平台和使用环境等因素灵活配置相应的低功耗方案，实现最佳的低功耗表现。在降功耗效果上，低功耗设计已可靠应用于带dram以及dramless的SSD方案上，功耗表现实测如下：
表3：低功耗在有dram方案下的测试信息
表4：低功耗在dramless方案下的测试信息该表3/表4测试信息通过DriveMaster工具来获取功耗数据，dram SSD方案和dramless SSD方案在具体设计实现上也是不同的。测试分析SSD低功耗的工具主要有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深刻地考验着低功耗方案的设计架构。当前PS4的latency在dram SSD方案上Entry Latency: 5ms, Exit Latenct：<50ms；在dramless SSD方案上Entry Latency: 5ms, Exit Latenct：<25ms，其他PS状态的latency这里不去赘述了。深度低功耗低时延方案让消费者在享受极致节电模式的同时，又几乎感知不到或不影响用户的操控体验。
在满足协议设定的前提下，SSD的电源管理在方案设计端是自由的，每家设计方案由项目使用场景以及芯片的功耗管理方式决定。充分挖掘以及实现基于芯片的低功耗方案并结合实际应用场景，去实现兼顾稳定性、功耗、时延以及性能、寿命(nand PE)等目标的最优化低功耗方案，从实践角度来说，这也是低功耗方案设计的价值。
忆芯的低功耗设计经历了芯片以及方案的2代迭代逐步完善，实现了这一目标，以及灵活的可配置方案，并可靠的应用于一些产品中。技术的深度打磨来源于对产品化的思考以及对实验数据的不断总结，随着SSD被广泛的应用，低功耗技术会在协议、芯片设计以及固件方案上进一步的发展，节能、低碳方案将有更大的应用前景。

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北京忆芯科技有限公司成立于2015年底，作为国内较早从事高性能固态硬盘主控芯片研发的企业，致力于成为赋能大数据应用的芯片全球领导者。经过7年多的发展，公司已成长为国内领先的高端PCIe SSD主控芯片和成品盘供应商，业务方向覆盖消费级、工业级和企业级，为各行业的信息化发展提供高质量芯片级底层保障。

忆芯科技核心成员具有多年研发经验和多项研发成果，拥有从底层算法到芯片设计，再到解决方案设计等多方面的丰富经验。在坚持自主研发基础上，研发的芯片产品拥有270余项自主知识产权，并创新性地将处理器架构首次引入存储领域；现已成功完成4款高端消费级、企业级SSD主控芯片流片，所研发的高性能低功耗NVMe SSD主控已量产出货。公司总部位于北京，在上海、成都、合肥、厦门、深圳分别设有研发中心和客户技术支持中心。