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黑暗的硅浪费硅吗?

半导体尺度的物理要求以一种新的方式考虑模具面积的利用。

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黑暗硅的概念听起来几乎是神秘的,但这是一个简单的物理问题。通过技术节点的进步和在同一模具上包装越来越多的晶体管,设计工程师即可到达墙壁,其中由于功率和热界,只能为设计的一部分电源供电。

此外,该公司高级首席工程师Greg Yeric表示,在每一个新的流程节点上,推动这种复杂电源管理的挑战只会继续增长手臂,在2014年的一门课程中IEEE.电子设备的会议。预计黑硅将占20nm(包括16/14nm)技术节点总面积的三分之一左右finfets.),由5nm节点增加到80%。真实产品可能会达到更好的结果,但显然的功耗呈现出越来越严峻的设计约束。(见相关的故事这里)

换句话说,黑硅是可以在几何上做的事情和100%利用硅时看到的功率密度之间的差距,Steve Carlson解释道,他是加州理工大学低功率和混合信号解决方案营销副总裁节奏。“与此同时,你也在努力提高你的计算效率SoC我们可以看到,在能量效率方面,晶体管的硬编码功能与使用可编程处理器有100X到1000X的差异。因此,当某一特定设备的使用模式已经被很好地理解时,你把软件中的一些东西放到硬件中,现在你将拥有更长的电池寿命,将是一个更凉爽的运行设备。”

虽然有许多这些专业的处理器填充了可以穿上高级几何形状的所有硅,但它们不能同时使用,或者会有一个功率密度问题,他说。“你不想去一个可编程的解决方案,让你使用较少的晶体管,因为它不会是能源竞争力,所以你必须通过这种复杂的编排来转动和关闭的东西。事实证明,大多数专业处理器都在大部分时间都关闭,这就是你得到这种高百分比的黑暗硅子。“

Arvind Shanmugavel,应用工程总监ansys-apache.请注意,在过去几十年中,由于电力和热的敏感性,暗硅未明确讨论。相反,它建立在设计人员采用的设计方法中,以达到功率和热敏的展示良好的缩放水平,并反映在架构中。

黑暗的硅的影响
比设计为黑暗硅,挑战是如何在它周围设计,Shanmugavel断言。“这真的是我们必须回答的更大的问题:我们如何在今天的设计中以力量和热敏设计?”

一种方法涉及架构设计。“通过使用不同类型的架构,可以降低硬件架构层面的整体功耗。我们的意思是在硬件层面,当我们这样做的时候功率控制或者时钟门控,我们基本上能够关闭设计的部分,以便它不会消耗任何电源。这是为了减少芯片的电力包络(TDP)的总热设计。“

唤醒它们,并确保芯片的其他部分知道它们是醒来的,但不是那么简单。“假设阻止A想要与Block B交谈,但B是黑暗的,”伯纳德墨菲说,CTOAtrenta。“首先,必须意识到B是黑暗的,进入等待状态,直到B醒来。接下来,B必须醒来。最后,A必须知道B已醒来,因此它可以重新启动其请求。所有这一切都需要在沟通中握手。接下来,您必须处理B在返回可用状态之前要唤醒所需的时间。如果这太长,您可能会节省功耗,但服务质量(QoS)可能会受到严重影响(例如,例如Dockpy电话)。结果,您必须考虑是否应该通过保留逻辑在B中保留某些状态,即使它是黑暗的,也可以允许B更快地唤醒。保留逻辑影响设计不仅在添加逻辑时要保存状态并在唤醒时恢复,还可以添加多种重置类型,包括不影响保留逻辑(例如软件复位)与完全重置(用于硬件复位)的复位。”

墨菲注意到黑暗硅也对设计过程产生了影响。“You may decide that B can go dark, but during verification you realize that a part of B is being called on more frequently than you had expected and you can’t afford the latency required to turn B on each time, or the increased power drain that is also implied. So you decide that you need to pull that piece of logic out of B and put it into an always-on domain. This requires re-partitioning, restructuring the power intent, changing timing constraints and the floorplan (implementation these days is evolving almost in parallel with the design) and very possibly changing assertions and testbenches. It’s pretty messy. This is why there is growing demand for tools to help with this restructuring.”

同样,Shanmugavel指出了正在发展的不同类型的架构,比如ARM的big。小架构,确保最佳的核心用于不同的任务。“我们有一个大的核心可以执行真正繁重的任务,而小的核心可以执行更小的任务,但只消耗一小部分的电力。在硬件架构层面上,我们能够通过使用这些技术实现这一水平的供电和高效设计。”

软件级架构需要在运行时执行调度,是处理暗芯片的另一个选项。“随着处理器运行,运行时功率和热管理变得非常重要。一些示例正在在不同的时间段内执行不同指令的调度,可以优化整体功耗,例如执行操作动态电压和频率缩放(DVFS)并获得对持续时间持续时间运行时,如果我在此频率下运行,则会逐渐打击有多少指令的反馈 - 或者我的TDP那些在踢在DVFS类型的方案之前考虑了软件架构考虑的问题,“他继续。

另一种方法是查看人们使用的实际硬件技术,以减少整体功率。这变得非常重要,特别是随着设计推入FinFET技术节点。“Reducing the operating voltage of the chip can significantly reduce the overall power consumed, and we’re not only getting into just simple voltage reduction techniques but also into near -threshold computing, where devices are literally operating near the threshold of the actual device with very low margin for noise,” Shanmugavel said. “Near threshold computing can significantly reduce the overall power consumed because power has a quadratic relationship in terms of voltage. We are also seeing techniques where people are trying to lower the overall switching capacitance and the switching activity during the place and route phase where several different hardware techniques are being employed for reducing the overall power of the SoC.”

在设计方法的情况下,有可靠性影响,当然 - 既可运行和寿命可靠性。两者都可以受到黑暗硅的设计风格的影响。

在大型SOC中,为了满足TDP信封,设计工程师倾向于仅打开模具的某些部位和小部分时间。因为存在大量的电力传送网络以及整体功率噪声的大波动,ESD(电静电放电)和电迁移(EM)问题增加,并成为更重要的模型。

卡尔森说,考虑到当今设计中越来越多的功率域,暗硅的复杂性已经将设计技术推向了极端,比如使用电源关闭和DVFS。“200到300个不同的电源域都是独立管理和切换的,这并不罕见。有很多用例需要检查,以确保您不会无意中一次打开太多的用例,否则就会遇到热问题。”

除了热问题之外,暗硅复杂可能意味着SOC是过度设计的,这是一种有价值的资源浪费。添加更多核心并不意味着它们实际上将使用。

“你可能实际上有一个八核心系统,但由于这个问题,其中四个可能不得不为黑暗,”低功耗的产品营销总监Krishna Balachandran说节奏。“因此,您认为您将能够执行的计算或者将能够执行任务的速度将受到功率问题的影响,这就是黑暗硅的实现方式。”

管理黑硅要求的所有东西的复杂性已经达到了顶点,更不用说设计任务的验证方面,这将推动对更多资源的需求,比如仿真进入比赛。

“物理学要求这是新常态。如果你真的想最大限度地利用你的电池寿命或者把温度控制到最大程度,你必须使用这样的技术。只要有泄漏,你就必须关闭设备,让它变暗。否则,你就处于劣势,”卡尔森补充道。

Shanmugavel同意了。“在前沿节点,暗硅问题只会变得更糟。当我们进入10nm时,我们当然可以在相同的区域内容纳更多的晶体管。我们可以调整晶体管的尺寸。我们能够缩放金属几何形状和模具尺寸,功能将不断增加。此外,我们将更多地依赖于体系结构的划分来理解模具的哪些部分可以在哪些时间段进行操作。当我们在同一个模具上使用更多功能时,这将是最大的影响。”

回顾过去15年的ASIC设计,设计师们在设计时往往只考虑性能,他继续说道。“性能是人们在设计硅的时候考虑的唯一指标,他们想要放置尽可能多的晶体管,拥有最高的频率,获得最好的性能。今天,哲学已经大不相同了。首先,我的最终产品是什么?我能满足最终产品的TDP吗?从那以后,你可以回溯到你的设计。从我们对未来设计的看法来看,这是一个完全的范式转变。”

马克·米利根,营销副总裁花萼他指出,黑硅消除了晶体管是免费的观念。“功率是黑硅高比例的首要原因;因此,应该在设计阶段将其作为一个重要的设计指标来考虑。设计师需要控制整体项目成本,从而减少设计中暗硅的百分比。设计师需要了解如何在设计中选择低功耗微架构,以及权衡利弊。”



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