Оптимизация энергопотребления (EDA)

Оптимизация энергопотребления — это использование инструментов автоматизации электронного проектирования для оптимизации (снижения) энергопотребления цифровой конструкции, например интегральной схемы, при сохранении функциональности.

Введение и история

Растущая скорость и сложность современных разработок влекут за собой значительное увеличение энергопотребления сверхбольшой интеграции (СБИС) микросхем . Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали множество различных методов проектирования, позволяющих снизить энергопотребление. Сложность современных микросхем, насчитывающих более 100 миллионов Транзисторы с тактовой частотой более 1 ГГц означают, что ручная оптимизация энергопотребления будет безнадежно медленной и с большой вероятностью будет содержать ошибки. Инструменты и методологии автоматизированного проектирования (САПР) являются обязательными.

Одной из ключевых особенностей, которые привели к успеху технологии комплементарных металлооксидных полупроводников ( КМОП ), было ее низкое энергопотребление. Это означало, что разработчики схем и инструменты автоматизации электронного проектирования (EDA) могли позволить себе сконцентрироваться на максимизации производительности схем и минимизации площади схемы. Еще одной интересной особенностью технологии КМОП являются ее хорошие свойства масштабирования, которые позволяют постепенно уменьшать размер элемента (см. закон Мура ), позволяя создавать все более сложные системы на одном кристалле, работающие на более высоких тактовых частотах. Проблемы энергопотребления возникли с появлением первых портативных электронных систем в конце 1980-х годов. На этом рынке срок службы батареи является решающим фактором коммерческого успеха продукта. Другой факт, который стал очевидным примерно в то же время, заключался в том, что растущая интеграция большего количества активных элементов на площадь кристалла приведет к непомерно большому потреблению энергии интегральной схемы. Высокий абсолютный уровень мощности нежелателен не только с экономической и экологической точки зрения. причин, но это также создает проблему рассеивания тепла. Чтобы устройство работало на приемлемом уровне температуры, при чрезмерном нагреве могут потребоваться дорогостоящие системы отвода тепла.

Эти факторы способствовали повышению мощности как основного параметра конструкции наравне с производительностью и размером кристалла. Фактически, энергопотребление рассматривается как ограничивающий фактор в продолжающемся масштабировании технологии КМОП. Чтобы ответить на эту проблему, в последнее десятилетие или около того были проведены интенсивные исследования по разработке инструментов автоматизированного проектирования (САПР), которые решают проблему оптимизации энергопотребления. Первоначальные усилия были направлены на инструменты схемного и логического уровня, поскольку на этом уровне инструменты САПР были более зрелыми и лучше справлялись с проблемами. Сегодня большая часть исследований инструментов САПР направлена на оптимизацию системного или архитектурного уровня, которая потенциально имеет более высокий общий эффект, учитывая широту их применения.

Вместе со инструментами оптимизации необходимы эффективные методы оценки мощности, как в качестве абсолютного показателя того, что потребление схемы соответствует некоторому целевому значению, так и в качестве относительного показателя мощности различных альтернатив во время исследования пространства проектирования.

Анализ мощности КМОП-схем

Потребляемая мощность цифровых КМОП-схем обычно рассматривается с точки зрения трех компонентов:

Динамическая составляющая мощности , связанная с зарядкой и разрядкой емкости нагрузки на выходе затвора.
Компонент мощности короткого замыкания . Во время перехода выходной линии (КМОП-затвора) с одного уровня напряжения на другой существует период времени, когда и PMOS, и NMOS-транзисторы включены, создавая таким образом путь от V _DD к земле.
Статическая составляющая мощности , возникающая из-за утечки, присутствует даже тогда, когда цепь не переключается. Она, в свою очередь, состоит из двух компонентов — утечки затвор-исток , которая представляет собой утечку непосредственно через изолятор затвора, в основном за счет туннелирования, и утечки исток-сток, обусловленной как туннельной, так и подпороговой проводимостью. Вклад статической составляющей мощности в общее число мощности очень быстро растет в современную эпоху глубокого субмикрометрового проектирования (DSM) .

Мощность можно оценить на нескольких уровнях детализации. Более высокие уровни абстракции работают быстрее и обрабатывают более крупные схемы, но менее точны. К основным уровням относятся:

Оценка мощности на уровне схемы с использованием симулятора схемы, такого как SPICE.
Статическая оценка мощности не использует входные векторы, но может использовать входную статистику. Аналог статического временного анализа .
Оценка мощности на логическом уровне, часто связанная с логическим моделированием .
Анализ на уровне регистра-передачи. Быстрый и мощный, но не такой точный.

Оптимизация мощности на уровне схемы

Для снижения энергопотребления на уровне схемы используется множество различных методов. Некоторые из основных:

Выбор размера транзистора: регулировка размера каждого затвора или транзистора для достижения минимальной мощности.
Масштабирование напряжения: более низкие напряжения питания потребляют меньше энергии, но работают медленнее.
Острова напряжения: разные блоки могут работать при разном напряжении, что позволяет экономить электроэнергию. Такая практика проектирования может потребовать использования преобразователей уровня, когда два блока с разными напряжениями питания взаимодействуют друг с другом.
Переменное V _DD : напряжение для одного блока можно изменять во время работы: высокое напряжение (и высокая мощность), когда блок должен работать быстро, низкое напряжение, когда допустима медленная работа.
Несколько пороговых напряжений . Современные процессы позволяют создавать транзисторы с разными порогами. Энергию можно сэкономить, используя комбинацию КМОП-транзисторов с двумя или более разными пороговыми напряжениями. В простейшей форме доступны два разных порога, обычно называемые High-Vt и Low-Vt, где Vt означает пороговое напряжение. Транзисторы с высоким порогом работают медленнее, но имеют меньшую утечку и могут использоваться в некритических цепях.
Стробирование мощности : в этом методе используются спящие транзисторы с высоким напряжением , которые отключают блок схемы, когда блок не переключается. Размер спящего транзистора является важным параметром конструкции. Этот метод, также известный как MTCMOS или многопороговый CMOS, снижает мощность в режиме ожидания или утечку, а также позволяет проводить тестирование Iddq .
Длинноканальные транзисторы: Транзисторы длиной больше минимальной дают меньшую утечку, но они больше и медленнее.
Состояния стека и парковки. Логические элементы могут протекать по-разному во время логически эквивалентных входных состояний (скажем, 10 на вентиле И-НЕ, а не 01). В определенных состояниях конечные автоматы могут иметь меньшую утечку.
Стили логики: например, динамическая и статическая логика имеют разные компромиссы между скоростью и мощностью.

Логический синтез для малой мощности

Логический синтез также можно оптимизировать разными способами, чтобы держать под контролем энергопотребление. Детали следующих шагов могут оказать существенное влияние на оптимизацию энергопотребления:

Часы ворота
Логическая факторизация
Балансировка пути
Картирование технологий
Государственная кодировка
Разложение конечного автомата
изменение времени

Поддержка Power Aware EDA

Существуют форматы файлов, которые можно использовать для записи файлов проекта, определяющих намерение Power и реализацию проекта. Информация в этих файлах позволяет инструментам EDA автоматически вставлять функции управления питанием и проверять, соответствует ли результат замыслу. IEEE предоставляет платформу для DASC разработки этого формата в форме рабочей группы IEEE P1801 . В течение 2006 года и первых двух месяцев 2007 года были разработаны как Unified Power Format , так и Common Power Format для поддержки различных инструментов. Рабочие группы IEEE P1801 работают с целью обеспечения конвергенции этих двух стандартов.

Для поддержки оценки мощности на архитектурном уровне было разработано несколько инструментов EDA, включая McPAT, ^[1] Смотреть, ^[2] и Простая сила. ^[3]

См. также

Организация данных для низкого энергопотребления

Ссылки

^ «Лаборатории HP: McPAT» . Архивировано из оригинала 3 декабря 2011 г.
^ «Смотреть Скачать» .
^ «SimPower — ПГУ ЦСП» . Архивировано из оригинала 18 декабря 2019 г.

Справочник по автоматизации проектирования электронных систем для интегральных схем , автор: Лаваньо, Мартин и Шеффер, ISBN 0-8493-3096-3 Исследование области, на основе которой было получено приведенное выше резюме, с разрешения.
Ян М. Рабай, Ананта Чандракасан и Боривое Николич, Цифровые интегральные схемы, 2-е издание [1] , ISBN 0-13-090996-3 , Издательство: Prentice Hall

Дальнейшее чтение/Внешние ссылки

[1] «Лаборатории HP: McPAT» . Архивировано из оригинала 3 декабря 2011 г.

[2] «Смотреть Скачать» .

[3] «SimPower — ПГУ ЦСП» . Архивировано из оригинала 18 декабря 2019 г.

[1]

[2]

[3]