Low Power. Οργάνωση Παρουσίασης. ηµήτρης Μητροβγένης ηµήτρης Κασερίδης Μαρίνος Σαµψών VLSI II ΠΑΤΡΑ 2004

Transcript

1 Low Power ηµήτρης Μητροβγένης ηµήτρης Κασερίδης Μαρίνος Σαµψών VLSI II ΠΑΤΡΑ 004 Low Power 1 Οργάνωση Παρουσίασης Ηανάγκη για χαµηλή ισχύ (Low Power) Πηγές Κατανάλωσης ισχύος Τεχνικές Βελτιστοποίησης Κατανάλωσης Θέµατα κατανάλωσης κατά το testing Βιβλιογραφία Low Power

2 Τι εννοούµε µε τον όρο «ισχύς» Ισχύς είναι ο ρυθµός που µια µορφή ενέργειας µετατρέπεται σε κάποια άλλη. Ενέργεια(W) Ισχύς(P) = Χρόνος(t) Σε περιβάλλον VLSI, η ισχύς αναφέρεται στο ρυθµό µε τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια µετατρέπεται σε θερµότητα (απώλεια), ή το ρυθµό µε τον οποίο ενέργεια διοχετεύεται από µια πηγή (κατανάλωση). Low Power 3 Ηιστορία του Low Power Η γέννηση του L.P ταυτίζεται µε την ανακάλυψη του τρανζίστορ το Περισσότερες δυνατότητες για L.P µε την ανακάλυψη των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων (IC) το Στο παρελθόν µόνο η επιφάνεια και η ταχύτητα απασχολούσαν τον σχεδιαστή VLSI. Ορισµένα ψηφιακά κυκλώµατα χρησιµοποιούσαν τεχνικές L.P, αλλά λειτουργούσαν σε πολύ µικρή συχνότητα (ρολόγια, βηµατοδότες). Low Power 4

3 Ηανάγκη για Low Power σήµερα Πρακτικοί λόγοι: Μείωση των απαιτήσεων σε ισχύ από φορητές συσκευές µικρού µεγέθους και βάρους που λειτουργούν µε µπαταρίες (κινητά τηλέφωνα κλπ). Οικονοµικοί λόγοι: Η αύξηση πυκνότητας ολοκλήρωσης οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση, µεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος ανά chip και υπάρχει µεγαλύτερη ανάγκη για ακριβό packaging. Τεχνολογικοί λόγοι: Η υπερβολική θερµότητα µειώνει την απόδοση και τη λειτουργικότητα των (HDI) chips. Low Power 5 Οι τάσεις της τεχνολογίας Year DRAM (bits/chip) 64M 56M 1G 4G 16G 64G DRAM chipsize (mm^) Microprocessor ( trans/chip) Microprocessor chip size (mm^) Lithography (microns) Channel length ( microns) M 8M 64M 150M 350M 850M < 0.1 Supply voltage (V) Oxide thickness (nm) < 4 Low Power 6

4 Ηεξέλιξη της κατανάλωσης ισχύος Microprocessor Supply Voltage Frequency Cooling Power Intel V 33Mhz Air W Intel V 33Mhz DX Air 3W Intel V 50Mhz DX Heat Sink 5W Intel Pentium 3.3V 133Mhz Forced Air 15W DEC Alpha V 300Mhz Forced Air 50W Low Power 7 Ενδεικτικά 733MHz PowerPC W. GHz Mobile Pentium 4-30 W.8 GHz Pentium W Low Power 8

5 Ητεχνολογία των µπαταριών Ητεχνολογία των µπαταριών εξελίσσεται αρκετά αργά. Οι µπαταρίες Li-Ion και NiMg είναι οι κύριες τεχνολογίες. Οι µπαταρίες συνεισφέρουν πολύ στο βάρος των φορητών συσκευών. Nokia 61xx - 33% Toshiba Portege 3110 laptop - 0% Handspring PDA - 10% Low Power 9 Υποψήφιες οικογένειες πυλών για L.P DCFL (Direct-Coupled FET Logic ) ECL (Emitter Coupled Logic) CMOS BiCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Low Power 10

6 Πλεονεκτήµατα CMOS Χαµηλότερο standby P drain. Ευρύτερα περιθώρια λειτουργίας. Ευελιξία στο να έχουµε ένα λειτουργικό κύκλωµα. Σχεδόν µηδενική στατική κατανάλωση. Καλή απόδοση στις περισσότερες περιπτώσεις. Πολλά εργαλεία αυτοµατοποιούν τη διαδικασία σχεδιασµού. Low Power 11 Εξισώσεις ισχύος i(t) Circuit v(t) P P inst avg de dw dw dq = = = * = v( t)* i( t) dt dt dq dt = T 1 T T 1 T 1 P inst dt= T 1 T T 1 T 1 v( t)* i( t) dt Ένα µικρό ρεύµα που ρέει για λίγο µπορεί να καταναλώσει περισσότερη ισχύ από ένα µεγάλο ρεύµα που κυλά για πολύ. Low Power 1

7 Πηγές κατανάλωσης Στατική κατανάλωση Ρεύµατα διαρροής διόδου Αγωγιµότητα στην περιοχή υποκατωφλίου. υναµική κατανάλωση Χωρητική ισχύς εξ αιτίας της φόρτισης εκφόρτισης χωρητικών φορτίων. Ρεύµατα βραχυκυκλώµατος Eξ αιτίας των ρευµάτων µονοπατιού όταν υπάρχει µια σύντοµη σύνδεση της τροφοδοσίας µε τη γείωση. Low Power 13 Στατική κατανάλωση (Ρεύµατα διαρροής διόδου) Στατική κατανάλωση ισχύος έχουµε λόγω ρευµάτων διαρροής. Είσοδος 0: n στοιχείο OFF p στοιχείο ΟΝ Είσοδος 1: n στοιχείο ΟΝ p στοιχείο ΟFFΟ Low Power 14

8 Στατική κατανάλωση (Οαντιστροφέας) i=ανάστροφο s ρεύµα κόρου V=τάση διόδου q=φορτίο ηλεκτρονίου k=σταθερά του Boltzman T=θερµοκρασία Στην πραγµατικότητα υπάρχει µικρή στατική κατανάλωση λόγω των διαρροών αντίστροφης πόλωσης µεταξύ των περιοχών διάχυσης και υποστρώµατος. I o 0.1nW P στατική=io V dd # FET P στατική ολική= Io V dd i=1 Τυπική κατανάλωση αντιστροφέα (5V) 1-nW1 0.5nW / FET σε θερµοκρασία δωµατίου Low Power 15 Στατική κατανάλωση Στις πύλες ψευδο-nmos λόγω του απευθείας µονοπατιού µεταξύ τροφοδοσίας και γείωσης υπάρχει στατική κατανάλωση ισχύος. Low Power 16

9 Στατική κατανάλωση (Αγωγή υποκατωφλίου) Για τιµές της V gs µικρότερες αλλά κοντά στην V t ρέει ένα ρεύµα. Στην περιοχή αυτή που ονοµάζεται περιοχή υποκατωφλίου το ρεύµα nvt Ι ds =Κe 1 e υποδοχής εξαρτάται εκθετικά από την τάση V gs (V V ) V gs t - ds VT Low Power 17 Κατανάλωση βραχυκυκλώµατος Ρεύµα από VDD προς GND καθώς το PMOS και το NMOS είναι ON ταυτόχρονα για σύντοµο χρονικό διάστηµα. Για µια µετάβαση από χαµηλό σε υψηλό δυναµικό το NMOS θα αρχίσει να άγει όταν το Vin=Vt και το PMOS θα σταµατήσει να άγει όταν Vin=Vdd-Vtp Low Power 18

10 Κατανάλωση βραχυκυκλώµατος ( ) P sc = Ι V mean dd Θεωρούµε ότι οι χρόνοι ανόδου καθόδου είναι ίδιοι: t = t = t r f rf P sc Tο NMOS είναι στην περιοχή κορεσµού για την χρονική περίοδο [t1-t] και το ρεύµα κορεσµού δίνεται από τη σχέση β I(t)= (V (t)-v ), 0<Ι<Ι t Ι = Τ mean I(t)dt in t max clk t 1 Low Power 19 Κατανάλωση βραχυκυκλώµατος Ι V V in(t)= t = 4 4 Τ β = Τ β (V (t)-v )dt (V (t)-v )dt dd r t mean in t in t t t 1 1 t t Vt t1 = t r, t = V dd tr Low Power 0

11 Κατανάλωση βραχυκυκλώµατος β 3 t rf Psc = V dd Ι mean = (Vdd V) t 1 T Μεγάλοι χρόνοι ανόδου-καθόδου και µεγάλο πλάτος (W) οδηγούν σε µεγάλη κατανάλωση ισχύος. Low Power 1 υναµική κατανάλωση T T V dvc s = = L = L c L dt = E V i dt V C dt C V dv C V T T V V dv c v c CV L c = c c = c L = L c c L dt = = E v i dt v C dt C v dv C CV CV Er = Es Ec = CLV = Er Pavg = = CLV f T L L Για κάθε µετάβαση από 0 1,1 0 Καταναλώνεται C L V Ο χωρητικός πυκνωτής φορτίζεται µέσω του PMOS transistor και ξεφορτίζεται µέσω του NMOS transistor. Low Power

12 Συνολική δυναµική ισχύς στο κύκλωµα nodes P = α total C V f i = 1 i i dd clk P = α V total nodes i i Ci V f = 1 dd clk i 1.m CMOS chip 100 MHz clock rate Μέσο χωρητικό φορτίο 30 ff/gate 5V ισχύς τροφοδοσίας Κατανάλωση/πύλη = 75 mw Σχεδιασµός µε 00,000 πύλες: 15W! Low Power 3 Συνολική κατανάλωση ισχύος P = P s + P sc + P total d Low Power 4

13 Ορισµός του παράγοντα α Αν έχουµε µια µετάβαση από 0 V η ισχύς που dd προσφέρεται είναι C L V dd Αν έχουµε µια µετάβαση 0 V dd σε κάθε κύκλο ρολογιού τότε η ισχύς είναι C L V dd fclk Low Power 5 Ορισµός του παράγοντα α Θεωρούµε Ν περιόδους ρολογιού και n(n) o αριθµός των µεταβάσεων από 0 V dd στο χρονικό διάστηµα [0,Ν] E P α P N avg 0 1 = C V n(n) L dd EN E = lim f = ( lim ) C N N N V f n(n) = lim N N = α C V f avg 0 1 N clk L dd clk N L dd clk Low Power 6

14 Επιρροή των στατιστικών λογικού επιπέδου στον παράγοντα α (πχ.nor) A B Out NOR- Ηπιθανότητα µετάβασης είναι η πιθανότητα να έχουµε 0 σε ένα κύκλο επί την πιθανότητα να έχουµε 1 στον επόµενο κύκλο ρολογιού. p = p p = p (1 p ) p Ν Ν Ν Ν ( ) ( ( )) ( 1) = = 0 1 Ν Ν p = 0 1 p 0 p = 1 p 0 (1 p 0) = 4 4 = 16 Low Power 7 Ηπύλη XOR A B Out p = XOR- Low Power 8

15 Πιθανότητα µετάβασης XOR p = p Ν Ν Ν Ν ( 1) ( ( 1)) ( 1) = = 0 1 Ν Ν NOR,NAND Αριθµός εισόδων,ν Low Power 9 Σύγκριση πιθανοτήτων µετάβασης διαφορετικών τεχνολογιών. Logic Style P 0 1 Static CMOS 3/16 Dynamic CMOS 3/4 DCVSL 1 Low Power 30

16 Μετρικές για Low Power Absolute power Σε Watts.Χρήσιµο σε εφαρµογές όπως επιλογή του package, κατανοµή ισχύος uw/mhz Η µέση ενέργεια που καταναλώνεται στο σύστηµα. uw/mips ή uw/spec Η µέση ενέργεια/instruction. Χρήσιµο για τη σύγκριση επεξεργαστών ίδιας οικογένειας. uw/mips² Κανονικοποιεί τη µέση ενέργεια ανά instruction, µε την απόδοση µιας συγκεκριµένης αρχιτεκτονικής. Χρήσιµο για τη σύγκριση επεξεργαστών διαφορετικής οικογένειας. uw/(area * MHz) Ενέργεια που καταναλίσκεται από µοναδιαία επιφάνεια της µήτρας. Χρήσιµο σα µέτρο αξιοπιστίας. Μπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί για τη σύγκριση δύο chips ίδιας λειτουργίας αλλά διαφορετικών υλοποιήσεων. Low Power 31 Συµπεράσµατα Η δυναµική κατανάλωση είναι γύρω στο 90% της συνολικής κατανάλωσης και µε αυτή θα ασχοληθούµε Low Power 3