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1、ISSCC2021:Xbox SoC功耗、散热和良率权衡设计
上周在ISSCC（国际固态电路会议）上，微软发表了题为《XboxSeries X SoC: 下一代游戏机"，由硬件工程师PaulPaternoster主讲。30分钟的演讲涵盖了很多关于微软最新的游戏机处理器的内容，其中大部分是重复了去年8月在Hot Chips上看到的内容，然而这次演讲中有一个新的元素，谈到了游戏机设计团队如何平衡声学、功耗、热性能和处理器的良率，讨论了设计中的热点源自哪里，以及最终硅片的性能/功耗目标在哪里得到了优化。
XboxSeries X SoC概述：Scarlett项目
首先，我们先来了解一下XboxSeries X内部的处理器，即"Project Scarlett"。Scarlett（斯嘉丽）是基于台积电N7工艺节点打造的单片系统级芯片。该设计拥有153亿个晶体管，裸片尺寸为15.831×22.765m㎡=360.4m㎡。
芯片内部有8个Zen 2移动核心，配置成两组，每组四个内核，每个核心共享4MB的L3缓存，类似于AMD的移动Renoir/Lucienne处理器。这些核心通过可扩展数据结构连接到一个定制的基于RDNA 的GPU，能够达到 12 TFLOPS的峰值性能，实现可变速率着色、光线追踪和其他新的图形功能。这个GPU是作为56个计算单元设计的，然而在最终产品中只使用了52个计算单元（后面会有更多介绍）。
内存系统采用20×16通道的16GB GDDR6。其中10GB为性能较高的内存，可以实现560GB/s的内存带宽，用于游戏，而另外6GB为性能较低的内存，为336GB/s的内存带宽，用于游戏或内存不是限制因素的情况。这样也可以实现更低的功耗状态。
视频编解码的支持，可以实现4K/8K AVC编解码、HEVC/VP9HDR解码、AVC/HDR编码四个显示平面。三个音频协处理器可以实现MOVAD(Opus/Vorbis)、CFPU2(频域处理)和MEC(多通道回声消除)的Logan IP的计算卸载，以消除麦克风的背景噪声。
硬件安全处理器(HSP)可以实现信任root以及所有加密功能，例如安全的硬件加密密钥。HSP也是微软Pluton架构的一部分，我们将在未来几年内看到使用Windows的现代CPU上出现这种架构。媒体流处理器（MSP）通过AES实现外部媒体设备的快速加密/解密和散列，足以满足平台上支持PCIe4.0的外部存储。微软表示，与上一代7200RPM硬盘相比，其新的XboxVelocity架构（使用NANDover NVMe加上MSP）可以实现更快的加载时间，同时为尚未以压缩格式发布的游戏节省30-35%的空间。
与上一代产品相比，微软正在推广其的新处理器具有一下特征：
- 3倍的CPU性能
- 2倍的GPU性能
- 1.7倍的内存带宽
- 2倍的IO带宽
- 0.9倍的物理音量
- 2.4倍的每瓦性能
- 相同的声学性能
- 媒体播放的合规性更严格
微软表示，与2013年的芯片相比，这款芯片的功耗增加了15%。
我们认为XboxSeries X的上限功耗是~270。这个功率数字必须覆盖系统内部的所有东西，所以ScarlettSoC很可能是其中的很大一部分，但不是全部。微软从来没有给出过一个官方数字，表示如果不同时描述芯片所处的技术环境，他们不会提供这个数字（来自HotChips问答）。需要注意的是，20通道的GDDR6也会消耗一部分功耗，所以即使系统的功耗是270W，如果我们把系统的大部分剥离出来，Scarlett芯片加上内存可能就是其中的225W。16 Gbps的GDDR6通常为每个芯片2.5 W，而这里采用了10个，这说明内存可能是25 W，这样SoC就有200 W分给CPU、GPU和互连。
不过说了这么多，在我们对XboxSeries X的评测中，我们从来没有看到任何接近这么高的功率。最费力的游戏（《战争机器5》）在整个系统中只达到202 W。
平衡声学、功耗和热学
与任何独立的系统（如游戏机）一样，在功耗、热学和声学之间找到合适的平衡是一个多维方程，尤其是当更新的系统要获得更大的功率，而目标是一个更轻薄的系统。这次演讲的主持人保罗·帕特诺斯特（PaulPaternoster）解释说，XboxSeries X的目标是提供具有比上一代产品高15％的TDP，，但体积却比上一代小20%的产品，同时拥有相同的音响性能。
最终的结果是体积缩小了接近10%，但微软启用了三通道并联气流设计，结合主SoC和内存的汽化室冷却器，中央机箱气流挡板，用于冷却电压调节器和其他南桥相关IO，以及定制的130mm轴流风扇和三相无刷直流电机，实现了高性能但低声浪和低维护的特点。
右侧是SoC的主要铝制散热器，然后在中间是中央机箱的气流挡板，在左侧是系统的其余部分，包括带有IO的第二块PCB。微软将系统分为两块PCB，一块用于ScarlettSoC，另一块用于所有与IO相关的连接，以分配热量并减小占用空间。这样的设计唯一需要考虑的问题是，电路板之间的连接性通常会产生较小的功耗，并且交叉板连接器具有足够的带宽。
通过电源管理提高效率
设计新SoC的目标之一就是试图在尽可能多的不同区域节省功耗。当您收集其中的一些东西时，即使即使是小的1％的节省，累加起来也不容小视。我们已经在AMD处理器上看到了其中的一些功能，而斯嘉丽是当时使用该功能的第一个基于Zen2的SoC的产品。保罗·帕特诺斯特（PaulPaternoster）将节电分为三个关键领域：电源监控和调节（〜10％），过程优化（〜10-15％）和电源状态管理（可操作）。
电源监控与调节
在此标题下，Microsoft列出了我们以前从AMD所见过的许多功能，例如数字低压差稳压器，动态电压频率缩放和直流启动时间校准。
对于电源监控器，自第一代以来，我们就已经在AMDZen内核上实现了这一功能，它提供了有关内核内部关键路径的更多信息，从而可以针对给定的工作负载优化电压保护带。可以与DLDO稳压器一起使用，该稳压器提供基于每个内核的电压控制，而不是基于每个复杂的电压。就上下文而言，Scarlett使用的基于Zen 2的设计类似于AMD的移动平台，类似于Renoir，但是AMD直到第二代Zen 2移动产品Lucienne才实现DLDO。DLDO已经在台式机AMD硬件上使用了至少两代。
细粒度动态电压频率缩放（DVFS）也是我们在台式机和移动AMD Ryzen处理器上看到的另一个元素，不仅可以更好地控制CPU频率，而且可以将电源状态的电压降低到更接近实际硅片的水平。最低要求。这可以通过降低电压来优化每瓦性能，并与DLDO结合使用，也可以基于每个内核来完成。DVFS与AMD的CPPC2电源状态控制配合使用效果最佳，但是稍后我们将介绍游戏机是否依赖固定电源状态。
芯片低压差稳压器（CLDO）在AMD的Zen处理器中并未提及，但微软在这里做了重点介绍了，以降低L2/ L3缓存的功耗。随着缓存的增大，这显然变得越来越重要-与移动处理器和Scarlett相比， AMD的桌面处理器的缓存是移动处理器的4倍，与Scarlett相比也是如此。然而，这里似乎有足够的差异，所以微软把它包括在演讲中，尽管当他们说"每个芯片的电压"时，我确实想知道他们是否意味着每个四核复合体或每个核心，而不是一个全芯片的值。
这一部分的最后一个是DC-BTC，或者说是电流和电压容忍度的启动时间校准。这是在AMD的Bulldozer时代开发出来的，目的是为了在芯片和元器件老化的时候能够有更严格的裕度。随着元器件的老化，由于电迁移和热效应，通常需要更高的电压才能达到同样的效果。然而，如果没有老化控制机制，SoC就必须从一开始就人为地提高电压，称为"老化裕度"，再加上高电压调节容差。这样做的缺点是，在较高的电压下，电迁移会发生得更严重，所以通过做某种形式的老化校准，芯片的裕度可以降低，处于较低的功率下，并最终因为较低的电压而延长寿命。这也有一个连锁效应，允许更广泛的电压范围，以接受足够的老化检测，并降低所需的老化余量的最终产量。
工艺优化
除了设计方面的实现之外，还有在制造过程级别进行的优化。正如我们大多数读者所知道的，制造处理器具有1000种不同的组合方法，寻找正确的组合以使芯片具有最佳性能，最佳频率，最佳功率或最佳效率，都需要在搜索空间中找到全局或局部最小值。
对于ProjectScarlett SoC，微软解释说，他们在制造层面实施了两种方法，都是与AMD和制造合作伙伴台积电合作，以获得更好的产品。工艺再中心化首先是定义所需的电压和电流最小值，与晶体管的频率和漏电有关。
第二部分是在该定义的搜索空间中找到一个局部的最低电压，即所谓的Vmin搜索。
这两个要素加起来占了新ScarlettSoC所做的功耗节省的10-15%，而这些都是基于制造的优化。这些优化可能能够找到最佳结果的深度往往受限于上市时间(在必须决定一组特定值之前，你能分析多少个搜索点)和愿意投入多少资金。
功率状态
对于任何给定的系统来说，启用功率状态为系统提供了一个关于功率、热学、声学以及手头任务所需性能的窗口。例如，告诉系统在其峰值功率状态下运行，将尽可能快地完成任何工作负载，但会降低功耗，散热和声学性能。
现代台式电脑经常会在运行中改变电源状态，而AMD的CPPC2技术允许这些电源状态在需要性能时成为连续不断的变化。另一方面，游戏机则因为系统与游戏开发者合作的性质，无法使用这个功能。
微软在系统中定义了许多功率状态，以便为游戏、视频播放、下载游戏更新和其他功能提供合适的性能。系统的每个部分都可以有自己的一套电源状态。
- CPU具有8个电源状态
- GPU具有5个电源状态
- 内部结构具有4个电源状态
- GDDR具有3个电源状态
Microsoft使用这些状态段来创建特定的游戏机操作模式，从而使开发人员能够针对给定的功能和性能进行工作和优化，而不是针对现代PC的移动目标。在这些主机游戏上，以1920x1080分辨率获得最低30 FPS本质上是最低标准，并且如果开发人员知道系统将具有保证的性能水平，，他们就可以按照这些性能数字进行调整。
这是Microsoft告诉我们的操作模式-可能还有更多。在玩游戏时，每种功率模式都设置为最大，因此系统可以完全访问所有必要的性能。在视频播放中，基于内容的格式，游戏机将处于多种不同的操作模式，然后有一些低功耗模式用于后台和已连接的待机模式。除了这些以外，可能还有其他电源模式，例如2D或独立游戏，或者系统检测到不需要某些性能级别。
解决热密度和良率
热密度
保罗·帕特诺斯特（PaulPaternoster）进行的ISSCC演讲的内容之一是，与前几代游戏机相比，这一代产品在热密度测量方面有何不同。如Paul所言，过去他曾使用过几代Xbox处理器，他解释说，GPU通常是热密度的限制因素，它限制了平台的声学特性。GPU通常对性能有很高的要求，并且历史上一直是热点所在。保罗指出，对于XboxSeries X SoC，情况有所不同。
对于Scarlett来说，其实CPU才是成为限制因素的关键。使用AMD的高性能x86 Zen 2核心，而不是上一代的低功耗Jaguar核心，再加上游戏工作负载在此后7年的发展，意味着当游戏工作负载开始提升时，CPU上的双256位浮点单元就是最高热密度点发生的地方。
在显示的这张PPT中，虽然没有说明这里是什么样的工作负载，是活动的游戏还是电源病毒，但微软在CPU端显示的热点是87.4ºC，而GPU的热点只有80.9ºC。现在这也就涉及到硬件的频率选择和设计点，以及在CPU功率、GPU功率和整体散热特性和声学之间找到合适的平衡点。
微软表示，因为这种差异，现在CPU是散热的热点，所以现在的声学是围绕这个点来进行的。作为微软的测试结果，该公司表示该公司表示CPU对设计的声学影响不成比例：在声学预算上，CPU所消耗的每增加一瓦特的成本是GPU的五倍。
我没有考虑过这是一个有趣的观点，但这意味着为了达到预期的目标，Microsoft花了一些时间来优化合适的CPU频率，从而在性能和散热之间进行权衡。这也是为什么在启用同时多线程时系统以3.6GHz运行，而在同时禁用多线程时可以达到3.8GHz的原因。
解决产量：GPU的影响
游戏机处理器不同于桌面和移动处理器，游戏机SoC不能按照芯片测试性能来标定对应的型号。而对于任何给定的硅产品的制造，都会存在晶体管性能的变化以及设计中的缺陷。制造工艺的目标自然是提供两者的最佳状态!对于一个给定的设计，个人电脑和笔记本电脑中的消费类处理器将被放入不同的"容器"中，并根据晶体管性能分配不同的名称和数值。相比之下，游戏机处理器必须具有相同的性能，以满足最低的性能要求，而不存在分层。游戏机制造商必须使用一个设计和一个性能点，使生产线上尽可能多的处理器达到该点。这是任何游戏机处理器的成品率公式的一部分。
上面我们已经介绍了Microsoft在本文中做出的许多设计选择，其中一些因素会影响性能分层，并确保设计能够获得最高的良率。我们尚未具体涉及的另一个因素是GPU。ScarlettSoC物理上具有56个图形计算单元，但在零售产品中仅使用52个。在ISSCC上的演讲花了一些时间探讨了这两种选择的优点，但最终解释了为什么Microsoft选择52。
Microsoft在这里谈论工作组处理器（WGP），其中包含两个计算单元和一些共享资源。这意味着全芯片设计具有28个WGP。
PaulPaternoster解释说，从下线的芯片来看，相当多的芯片可以在启用全部28个WGP的情况下运行。显卡的目标是提供12TFLOPs的性能，因此通过一些简单的数学计算，微软可以采用以下任何一种方式来达到这个数字。
- 在1675 MHz下启用了28个WGP
- 在1825 MHz下启用了26个WGP
这两个配置均启用12个TFLOP。由于28 WGP设计的频率较低，因此还可以实现较低的电压，如果使用所有28WGP，则总功耗可节省20％。
当然，20%的功耗节省是相当可观的，因为它可以实现更好的每瓦性能，或者实现更高的性能。但问题是，在28颗WGP全部以这个频率运行的情况下，生产时没有足够的处理器下线。由于晶体管性能和缺陷，处理器的可变性意味着28个WGP版本在经济上没有意义。
微软使用的是台积电最好的仅有DUV的7nm(N7)工艺节点，据称其缺陷率为每平方厘米0.09个缺陷。
- 300毫米晶圆的面积为706.86 c㎡
- 每厘米2 0.09个缺陷的缺陷率意味着每个晶圆?64个缺陷
- 斯嘉丽是360.4平方毫米（15.831毫米x 22.765毫米）
- 请注意，SoC是矩形，晶圆是圆形，
- 晶圆芯片计算器显示，这种SoC尺寸的100％合格率将使每个晶圆147个芯片
- Microsoft设置频率/功率，以便如果所有管芯都合格，则可以使用所有管芯
- 缺陷率为0.09 / cm 2时，每个晶片有107个良好的管芯
- 这意味着73％的良率107/147
假设其中一个GPU计算单元或WGP发生缺陷，这个几率非常大，因为GPU是处理器中最大的部分，通过吸收这个缺陷，禁用这个WGP，这个SoC就可以用在游戏机上，有效良品率就会更高。
当缺陷率为0.09时，这是很好很低的缺陷率，同一芯片上出现两个缺陷的几率非常小。即便如此，只要选择只启用26个WGPs的设计，比全部28个WGPs少两个，几乎所有从生产线上下来的管芯都可以使用--有效提高了良品率，使每个处理器的平均成本降低了三分之一。
原文：
https://www.anandtech.com/show/16489/xbox-series-x-soc-power-thermal-and-yield-tradeoffs
2、国王生病了绘本ppt：幼儿园大班教案
幼儿园大班教案 篇
活动目标：
1、初步学习包馄饨的技能，培养幼儿的实践动手能力。
2、体验家乡的风味小吃，感受自制绘本的乐趣。
3、发展幼儿的动手能力。
4、考验小朋友们的反应能力，锻炼他们的个人能力。
活动准备：
1、 大班温州童谣表演《吃馄饨》、PPT。
2、 馄饨皮若干、馅料若干、调羹人手一把、碗、纱布、托盘等若干。
3、 湿毛巾人手一条。
活动过程：
一、温州童谣表演《吃馄饨》。
二、教师谈话，激发幼儿的活动兴趣。
小朋友们，在这首童谣里面你听到了什么？吃了馄饨对我们身体有什么好处？
小结：原来馄饨汤喝了会让我们的眼睛变亮，馄饨还可以搭配别的食物一起吃。那真是太美味了。还要养成良好的习惯，吃完了还要把碗送回去。
三、教师向幼儿介绍包馄饨需要的材料和工具。（出示图片）
今天，老师为大家准备了各种包馄饨的材料和工具，我们一起来看看。
（馄饨皮、馄饨馅、托盘、勺子）
四、教师讲解示范如何包馄饨。（出示视频）
1、幼儿观看视频，怎么包馄饨。
2、示范包馄饨
包之前袖子卷卷好，用毛巾把小手擦干净。取一张馄饨皮平铺手心，用勺子取适量的陷放在馄饨皮的中间，不能太多。将馄饨皮的四个角往中间包，注意不能把馅露出来。最后把包好的馄饨轻轻放入托盘中。
五、幼儿练习包馄饨，教师巡回指导。
1、幼儿擦干净小手。
2、教师提醒幼儿包馄饨时馅要适中，要包得不露馅。
3、包好后陪伴老师端出去煮熟。
六、观看现场自制绘本《美味的馄饨》
就在小朋友看表演、包馄饨的时候，我们的张老师把这一切现场编辑成了一本电子绘本书，我们一起来欣赏下吧。
七、请客人老师品尝馄饨。
食堂的阿姨们把小朋友包的馄饨煮熟了，哇！真是太棒了！我们请在坐的客人老师一起来品尝下我们亲手包的馄饨吧。看哪位小朋友会大胆地并且有礼貌的请客人老师品尝。
幼儿园大班教案 篇
活动目标：
1、进一步欣赏诗歌《春天》，尝试用绘画的形式描绘心中的“春天”。
2、表现春天的某一个特征，并用语言仿编诗句。
3、愿意用美丽的色彩表现春天的景象。
活动准备：
记号笔，油画棒。幼儿用书人手一套。
活动过程：
一、师生共同阅读幼儿用书，朗诵诗歌《春天》，进一步感知春天的特征。
教师：诗歌中说春天是一本怎样的书？（彩色的、会唱的、会笑的书）
二、启发幼儿的想象力。
1、教师：春天是一本彩色的书，春天是一本会唱的书，春天是一本会笑的书，春天还可以是一本怎样的书？春天是怎样的书呢？
2、引导幼儿找出春天的特征，编出一本本不同的书，如：会吹的书，不断长大的书，温暖的书，花红柳绿的书……
三、交代要求，幼儿进行想象画创作活动。
1、怎样将纸做成书的样子呢？（一页纸对折方法，多页纸合订在一起）
2、封面图案可以根据内容设计。例如：画会吹的“书”时，在第一张纸上，设计风吹的画画作为封面，在里面画出各种会吹的事情（微风在吹，喇叭在吹，小朋友也在吹喇叭等。）
3、提醒幼儿画面要丰富。
教师在知道的同时及时反馈幼儿在作画中的好的想法，启发幼儿的思路。
四、作品。
请小朋友展示自己的作品，向同伴或全体幼儿讲述自己仿编的诗歌画面，请幼儿说说：我画的春天是一本怎样的书。
幼儿园大班教案 篇
大班综合活动：国王生病了
目标：
1.通过细致的观察画面，理解故事的关键内容。
2.尝试运用图文匹配进一步理解故事内容并感知运动的好处。
3.学习用图画的形式与同伴合作设计自己一周的运动计划表。
准备：
1.课件《国王生病了》
2.《我们设计的运动计划表》每组一份
3.美术用具
过程：
1.热身运动
幼儿在教师的带领下随音乐做运动。
2.阅读故事
1）提问引出故事《国王生病了》
*我们刚运动过和你没运动前，身体感觉有什么不一样呢？
*冬天不经常运动会怎样？（生病）有一个国王也生病了，我们来看看他怎么生病了。
2）教师一边播放课件，一边讲述故事。
*医生给国王开的处方，国王有没有去做？
*星期一~~星期日，别人在运动，国王在干吗？
*为什么国王的病没有好，而其他的人都病倒了？
3.引导幼儿再次完整的欣赏故事。
1）帮幼儿理请国王生病的前因后果，进一不理解故事内容。
2）请幼儿根据自己所理解的故事内容，将运动表填完整。
4.请幼儿和同伴合作设自己的一周运动计划表。
1）除了医生为国王提供的这写运动项目，你还知道哪些运动项目，它能使我们哪方面得到锻炼呢？
2）幼儿分小组绘画，提示幼儿绘画时要跟别人想的不一样。
3）画好后将自己设计的运动项目贴到《我们设计的运动计划表》里。
5.展示作品
*每组请一个代表上来说一说自己设计的运动计划表
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