Συστήματα σε Ολοκληρωμένα Κυκλώματα

Transcript

1 Συστήματα σε Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Κεφάλαιο 2: Τεχνικές για Σχεδιασμό Χαμηλής Κατανάλωσης Ισχύος στα MPSoCs Διδάσκων: Καθηγητής Οδυσσέας Κουφοπαύλου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η κατανάλωση ισχύος και ενέργειας αποτελούν σημαντικές παραμέτρους στα σύγχρονα συστήματα πολυεπεξεργαστών Ο σχεδιασμός συστημάτων χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας αυξάνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας αλλά και περιορίζει τις απαιτήσεις σε ψύξη και πακετάρισμα

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τεχνικές ελάττωσης κατανάλωσης ισχύος έχουν εφαρμοστεί σε όλα τα επίπεδα σχεδιασμού επεξεργαστών: circuit, logic gate, functional unit, processor, system software και επίπεδα application software Ο πρωταρχικός σκοπός είναι η μείωση της δυναμικής κατανάλωσης ισχύος. Καθώς όμως η τεχνολογία εξελίσσεται ο παράγοντας της ενέργειας που οφείλεται στην standby (leakage) ενέργεια αυξάνεται

4 ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ I s-c, short-circuit current; I off, leakage current; I dyn, dynamic switching power. Φαίνονται οι κύριοι παράγοντες της κατανάλωσης ενέργειας για τα CMOS κυκλώματα. Θεωρώντας τη δυναμική ως την κύρια μορφή κατανάλωσης ισχύος καταλήγουμε: P Act = C avg V dd (Act) f clock όπου C avg είναι το μέσο χωρητικό φορτίο του τρανζίστορ, V dd η παροχή τάσης, f clock η συχνότητα λειτουργίας, and Act η πιθανότητα μετάβασης του τρανζίστορ

5 ΕΛΑΤΤΩΣΗ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ Από την προηγούμενη σχέση καταλήγουμε πως μείωση της παροχής τάσης επιδρά σε τετραγωνική μείωση της ισχύς Όσο ελαττώνεται όμως η εξωτερική τάση αυξάνεται ο παράγοντας του leakage current Παράδειγμα: Το ρεύμα leakage current αυξάνεται από 20 ρa/μm (Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (TSMC) CL018G) με τάση κατωφλίου (threshold voltage) 0.42 V σε 13, ρa/μm (TSMC CL013HS) με τάση κατωφλίου (threshold voltage) of 0.25 V

6 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Το σύστημα πρέπει να έχει μηχανισμούς έτσι ώστε να ελέγχεται η λειτουργία του σε πραγματικό χρόνο. Παραδείγματα αποτελούν το gated clock, η τεχνική dynamic voltage scaling καθώς και λογισμικά προσανατολισμένα προς τη χαμηλή κατανάλωση ισχύος του συστήματος

7 ΕΛΕΓΧΟΜΕΝΗ ΜΕΙΩΣΗ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΤΑΣΗΣ Για να ελαττώσουμε την κατανάλωση ενέργειας ο καλύτερος τρόπος είναι η μείωση της εξωτερικής τάσης (voltage scaling) μέχρι το σύστημα να «συναντήσει» τα ελάχιστα όρια των προδιαγραφών απόδοσης Αυτό συμβαίνει γιατί μειώνοντας την εξωτερική τάση αυξάνεται η καθυστέρηση του συστήματος Σε συστήματα επεξεργαστών το voltage scaling χρησιμεύει στη δραστική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του συστήματος

8 DYNAMIC FREQUENCY SCALING (DFS) Σημαντικές τεχνικές μείωσης της δυναμικής κατανάλωσης ισχύος είναι ο συνδυασμός dynamic voltage scaling με dynamic frequency scaling (DFS) Μείωση της συχνότητας του συστήματος συνιστά μείωση της ισχύος αλλά και της απόδοσης Σε αντίθεση με την ισχύ η ενέργεια παραμένει η ίδια, εφόσον το σύστημα εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες αλλά σε περισσότερο χρόνο

9 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΝΗΜΗ Στα ολοκληρωμένα συστήματα οι μνήμες καταλαμβάνουν ένα μεγάλο μέρος των πόρων του συστήματος Στα συστήματα μνήμης το κύριο μέρος της ενέργειας καταλαμβάνεται κατά τη διαδικασία ανάγνωσης και γραφής, ενώ όσο πιο μεγάλη είναι η μνήμη τόσο μεγαλύτερη είναι και η κατανάλωση ενέργειας Ιεραρχία μνημών

10 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΚΑΙ ΜΝΗΜΗ Όσο μεγαλύτερη είναι η μνήμη τόσο μεγαλύτερη ενέργεια απαιτείται για διάβασμα / εγγραφή Ιεραρχία μνημών από καταχωρητές μέχρι και εξωτερικές μνήμες Ιδιαίτερα μέριμνα τελευταία σε τεχνολογικό επίπεδο για ελάττωση του leakage current

11 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΩΝ Η ενέργεια εξαιτίας των πράξεων και της αποθήκευσης μπορεί να μειωθεί μικραίνοντας τις διαστάσεις πυλών ή κυττάρων μνήμης, όμως η ενέργεια διασύνδεσης δε μειώνεται με αυτό τον τρόπο Επομένως η διασύνδεση μεταξύ των λειτουργικών μονάδων ενός συστήματος αποτελεί μεγάλο θέμα για τα συστήματα επεξεργαστών

12 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Το πιο απλό κανάλι επικοινωνίας σε έναν επεξεργαστή είναι ο δίαυλος (bus) ένα σύνολο καλωδίων μεταφοράς ενός μπιτ Οι δίαυλοι σε συστήματα επεξεργαστών είναι πολύπλοκοι, με ενσωματωμένα κυκλώματα λογικής, κυκλώματα ελέγχου και διεπαφή με το έξω περιβάλλον.

13 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Η βασική ιδέα για χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας στις διασυνδέσεις είναι η κωδικοποίηση των δεδομένων. Κωδικοποιώντας τα δεδομένα και στέλνοντάς τα στο κανάλι επικοινωνίας μειώνοντας τη μέση switching activity. Ramprasad et al. Μελέτησαν το πρόβλημα του switching activity και κατέληξαν στο. Όσο πιο μεγάλη είναι η εντροπία μιας πηγής τόσο λιγότερη είναι η ελάττωση της ενέργειας κωδικοποιώντας τα δεδομένα

14 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Όταν όμως χρησιμοποιούνται σχήματα κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης στα κανάλια επικοινωνίας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ενέργεια και η πολυπλοκότητα που εισάγουν στο σύστημα οι κωδικοποιητές Αρκετοί συγγραφείς έχουν προτείνει σχήματα χαμηλής δραστηριότητας μεταβάσεων

15 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Ας θεωρήσουμε μια σύνδεση σημείο με σημείο και μιας κατεύθυνσης δύο μονάδων επεξεργαστή Τα δεδομένα κωδικοποιούνται από το Module A, μεταδίδονται στο κανάλι και στέλνονται στο Module B, το οποίο και τα αποκωδικοποιεί

16 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Ένα κλασικό παράδειγμα δεδομένων με μεγάλη συσχέτιση είναι τα δεδομένα που περνούν από το κανάλι διευθύνσεων μεταξύ του επεξεργαστή και της μνήμης Τυπικά οι διευθύνσεις διαφέρουν μεταξύ τους κατά μια τιμή Η κωδικοποίηση με κώδικα Gray θα ήταν αποτελεσματική επειδή η απόσταση Hamming μεταξύ δύο διαδοχικών λέξεων είναι ένα μπιτ

17 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Η κωδικοποίηση καναλιών επικοινωνίας αποτελεί ένα θέμα που έχει απασχολήσει πολύ την βιβλιογραφία Μια πρώτη προσέγγιση αυτού του προβλήματος είναι η εξής: Υπολογίζουμε το ενεργειακό κέρδος της επιλεγμένης κωδικοποίησης. Πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στον υπολογισμό και εκτίμηση των χωρητικοτήτων

18 ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΙΣΧΥΟΣ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Επομένως βλέποντας τα κέρδη από κάθε κωδικοποίηση επιλέγουμε τη βέλτιστη Πολλές όμως κωδικοποιήσεις πρακτικά είναι μη εφαρμόσιμες γιατί ο κωδικοποιητής / αποκωδικοποιητής εισάγει στο σύστημα χωρητικότητα και η ενέργεια που καταναλώνει καθιστά το συνολικό σύστημα μη κερδοφόρο

19 ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΝΕΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Όλα τα τμήματα ενός συστήματος συνδέονται με μια μονάδα ελέγχου, γεγονός που αυξάνει την χωρητικότητα του συστήματος, αλλά και την απόδοση Η μείωση των διασυνδέσεων ενός συστήματος μειώνει τη χωρητικότητά του, επομένως μειώνει την κατανάλωση ισχύος αλλά και την επιφάνειά του

20 ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΝΕΕΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗΣ Μια τακτική για τη λύση του προβλήματος είναι η χρήση αποκεντρωμένου ελέγχου (local communication) σε σχέση με το κεντρικό έλεγχο (global communication) Στην περίπτωση που ο κεντρικός έλεγχος δεν αποφεύγεται καλό είναι τα κανάλια επικοινωνίας να κωδικοποιούνται