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达到电力预算

为什么电力仍然是一个问题,它将如何变得更糟,以及可以做些什么。

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今天芯片设计的电力有关的一切都是一个大问题 - 它只是变得更大。

符合电源预算在每个新节点上都变得越来越难,但在现有节点的许多新应用领域也变得困难。这是一个很大的问题,因为力量现在被认为是许多市场的竞争优势。它也是在整个设计流程下实现的设计中最具技术上困难的方面之一。

“传统的后端和以实现为重点的技术不再能够实现电力关键市场经常需要的那种节电,”该公司高级低功耗技术专家Saurabh Kumar Shrimal说导师图形

不像过去,有一个好的规范已经不够了。设计和IP.用于这些设计,仍需要有资格获得权力,但这只是起点。所有这一切都必须在全新的功能,更多的连接,在一个包装和价格点上送到特定的市段的价格。它必须在收紧的市场窗口中进行,并在测量中具有一些一致性。

Shrimal说:“项目需要在设计阶段的早期就知道这一点,但目前还没有好的标准来限定它。”“有这些设计和IP的电力资格标准是很重要的,这样就可以在可预测的时间内实现总体电力预算,这样就可以让电力竞争的公司尽早决定如何做。”

今天,使用各种结构和方法来衡量或限定IP质量是很常见的功能覆盖范围指标。但是Shrimal说,为了解决电力方面的挑战,提供的工具应该包括一种方法来限定电力设计。这需要包括绝对的电力消耗,这是今天完成的,以及电源冗余或在设计中浪费的电力。

“理想情况下,这个(浪费的能量)数字应该是零,”他说。“这种度量和资格将帮助设计师提高生产力,通过告诉他们在哪里和如何解决问题,以及知道设计是否有能力满足预算。它不再仅仅是一个传统的游戏时钟门控节约权力。RTL设计人员需要更改设计的多个方面 - 寄存器,组合,时钟树,记忆-解决电源问题。只有采用这种方法,他们才能在设计周期的早期就知道自己在实现电力预算方面所处的位置,并在预算范围内按时交付项目。”

这远远超过今天大多数芯片制造商和IP供应商的地方。

“刚刚达到权力预算仍然是一项挑战,”Rod Metcalfe,产品管理集团总监节奏。“在当今世界的所有移动设备中,功率在典型设备的规格方面占主导地位,而且它正变得越来越咄咄逼人。人们在低功耗设计方面做得越来越好,但挑战总是更多。他们总是觉得自己可以改进。考虑到功能,这些工具确实有了很大的改进,我们今天得到的结果比几年前要优越得多。但我们能更进一步吗?是的。用户正积极向这个方向发展。”

所有主要的EDA和知识产权供应商都知道这些问题。芯片制造商在移动空间中,电池寿命仍然是一个大问题。其他市场的芯片制造商正在慢慢进入。

“我们继续积极推动绩效,但电力密度仍然很麻烦,而我们在我们的平台内部的权力(和热)管理是必要的,”Alan Gibbons,Power Architectsynopsys.

因此,硬件和软件设计师在设计流程的早期就其平台的功耗行为提供更多的可见性,他们就有更大的机会满足这些积极的功耗预算,他解释道。“试图在设计流程的后期纠正电力预算失误几乎是不可能的,唯一有成功机会的方法就是从一开始就设计节能。”

培训要求
工程团队比过去更为正确,但每个人都同意了很多改进空间。

“传统上集中于性能和功能的网络等行业尚未采用电力方法,”RTL产品管理主任PREETI GUPTA说有限元分析软件。“这并不是没有那里的电力方法,他们可以定义电力预算并尝试通过可用的各种低功耗技术实现它们,但即使现在,电源也不像它们那样大量交易。它仍然是非常次要的或第三级。“

在移动和IOT等地区,这是一个不同的故事。案例分数:英特尔本月为基础峰值健身手表发出全面召回,这可能导致皮肤灼伤。

“这甚至不是一个网络设备,说GUPTA。“这是一种手持设备,他们怀疑将心跳连续监测的部分燃烧并导致皮肤燃烧在0.2%的这些装置中。但那仍然是一个巨大的数字。“

这就引出了设计团队如何考虑这种设备的功率和热量的问题。

“预算是众所周知的,”她说。“手持设备的功率是3瓦。我们都知道。这是一个很好的例子,说明了随着如此多复杂的技术的加入,电力预算是如何变得越来越糟糕的,以至于每个技术之间都相互交流。我们增加了这么多复杂的操作模式。你能真正模拟出多少种组合?”

扩展与权力
为了复杂化问题,大多数芯片具有比前几代更多的晶体管。虽然缩放越来越难,尤其是在最先进的节点上,而不是每个人都在那些节点。和那些期望继续至少一个或两个节点继续缩放的公司。

他说:“随着Dennard的扩展,晶体管的数量增加了一倍,但是晶体管之间的平均距离变短了,因此电容会下降。超音速。“你会改变电源电压,所有这些东西都应该进入,这样它就不花费你更多的能量来做增加的工作量。断线的电线的电容随着线的宽度线性地停止缩放,因为电线从侧面的电容的贡献变得远远超过平行板电容。所以缩放的电容方面停止了帮助。“

由于无法继续降低电压,情况更糟了。

“他们试图扩大规模,但随后泄漏开始成为一个大问题,”Wingard说。“所以我们以三种不同的方式输了。我们无法测量电压。当我们按比例计算电压时,泄漏成了一个大问题。我们无法按预期的方式缩放电容。基于所有这些原因,这意味着集成更多功能并使用这些功能,完成它的能力就会提高。”

越来越积极
物理是缩放的最大限制,唯一的选择就是更加积极地管理能量。但这也可能带来问题,因为这需要更多的设计时间来降低功耗,而大多数芯片制造商表示,上市时间是他们目前最关心的问题。

从方法论的角度来看,至少有一部分是可以处理的。Synopsys的Gibbons说:“在设计流程的早期考虑并包含强大功能,并且在任何时候都不要忽视它。”“通过电力建模的灵活性和相关的EDA工具,一个高效的电力感知系统设计解决方案被提供给设计团队,以减轻电力预算的挑战。”

正在探索新的途径,也可以为电力提供更标准化的方法。这并不容易,因为功率场景对每个设计和用例都是独一无二的。

Wingard指出,可以用来最小化能量和/或能量的基本设置技术已经被很好地理解了,所以并不存在对这些技术缺乏基本理解的情况。“问题是,应用哪些,在哪里应用,多久应用一次,也许最重要的是,在做设计的过程中,你决定什么时候应用它们?”

这就是挑战的有趣部分谎言的地方。“We’re trying to push the problem as hard as the physics allow, but we recognize that depending upon where you are coming from — the characteristics of the application, the things you’ve done in the past— that you may not believe today that you need to be this aggressive. Or, you may not feel comfortable doing this kind of work. That’s why how this plugs into the rest of the design process, the design flow, backend tools, is so important.”

Sonics一直专注于将更多粒度添加到电源管理中,以限制闲置在有源电力的闲置时刻浪费的力量。其他人正在努力将更多的粒度添加到动力域中,以这种技术相结合,作为近阈值性能,前进和反向体偏置(使用散装40nm及以上互补金属氧化物半导体,28nm和22nm使用FD-SOI),以及在不需要时关闭块或块的部分。

Ansys ' Gupta也发现系统级矢量的使用有所增加。“这是在运行设备的实际应用。在我职业生涯的早期,我观察到的是人们会使用任何功能向量方便,用它来看看权力考虑是否为设备主导的操作模式,或者如果它是一个模式,导致大量的峰值功率消耗。所以你想要降低峰值功耗。一直以来,我都在权力方法中看到过这种情况。是核查团队的规模扩大了。这些团队正在创造动力向量。现在,人们正在研究系统级的向量,比如操作系统启动序列,这可能是一秒钟。这个行业正在以人体伤害为基础进行发展,并试图尽早发现这些问题,并为此进行设计。

与此同时,Synopsys正在发挥杠杆作用权力统一格式3.0 IP电源模型,可以在首字母上创建。“在系统级设计期间,我们在高度抽象的电力数据上运行,然后连续地将电源信息作为设计(硬件和软件)继续精制,”Gibbons表示。

这些只是关于电力预算的新思路的一些例子:如何建模,维护它,并验证。随着新的工具和技术仍在开发中,看待与工程社区持有的措施将会有趣。

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1评论

氮化镓系统公司 说:

你可以使用宽带隙半导体,比如在硅晶体管上使用氮化镓(GaN),可以提高效率,降低功耗,减小尺寸和重量。

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