低功耗设计变得更加复杂

整个SoC设计流程,已经有大量的研究,以缓解疼痛管理一长串的权力相关的问题。虽然进展,添加新的应用领域,如人工智能/ ML / DL,汽车和物联网提出了尽可能多的新问题已经解决。

尤其严重的挑战在前沿节点设备由电池驱动。包括一长串的因素,从最合适的半导体技术,根据Torsten帝国,组管理器集成传感器电路弗劳恩霍夫东亚峰会。选择可以由商业方面,以及模拟到数字的比例组件和功率预算各种用例。它还可以影响从亚阈值设计从数字模拟组件,建立技术转移等电压缩放,clock-gating、频宽比和唤醒技术。此外,它可以影响time-to-digital方法转换,转换电路方法,超低功耗当地和全球的电源管理,复杂的DC-to-DC转换器作为推动者,ultra-low-power-optimized AMS设计流模型来布局。

这只是开始。电力是当今最复杂设计的控制因素,即使电源管理芯片制造商的主要目标。

“芯片正变得越来越复杂,以适应最大节约能源,”戈德温-梅宾提到的,Synopsys对此科学家。“一些估计显示权力领域的平均数量大于20,但有芯片,有超过200年或300年电力领域。有很多不同的方法来减少权力,除了你做什么在架构级别。可以通过自动工具,只要是给定的输入向量。如果你要减少动态功率具体地说,您需要提供向量是真正代表和可用于优化。”

功率优化不是在RTL功率优化。确保最终归结到硅或tape-out数据认为相同数量的优化,他说。“如果我优化和减少10%,我想确保当我完成或签署减少并不是1%的数据。这是处理整个流程,从合成place-and-route生态过程。”

有效地处理所有这些问题需要各种不同的学科,历史上从来没有一起工作。电力工程团队需要跨越传统的筒仓,尤其是随着越来越多的部分的设计流程进一步转向左边。这是很明显的导师,西门子业务,先进的包装工具集团已与物理验证集团合作开发开放流允许复杂的装配,高密度先进的包装系统。

先进的包装能使芯片制造商节省电力通过减少之间的距离信号需要旅行的记忆,加速器和各种I / O模块。它也使他们能够使用更高的通道传输速度较慢,可显著减少所需的权力之间来回移动数据处理器和记忆。

“你现在可以删除一个HBM(高带宽内存模块)的顶部包,然后直接做路由和路由优化,“高级技术销售工程师Chris锥说导师。“当你比较过去的系统级芯片互连的横向分布,既然你有能力堆栈有巨大的利益在节约电力和区域”。

先进的包装技术还可以减少电力设计功能的技术节点,最有意义。“如果你需要一个更大的电压接口,物理接口,实现在一个更成熟的节点,然后做处理,权力,等等,在深亚微米技术,“锥说。“这些都是节点,每个人都知道。使用任何你可以在一个节点上已经有大量的数据和学习和专业知识。”

另一个选择适合先进包装在一起硅光子学,开始引起注意到沟通。

“随着光子学,这都是焦耳每一点,”他说。“你的工作方式与光子学是你必须有司机。你可以试着让电子晶体管在光子学一样的死,这是很难做到的,然后你通常做出妥协在光电设备和电子设备。更好的解决方案是让司机在单独的死在电子死一个接口直接分解成光子。这是另一种使降低发电技术与解决方案,3 d堆叠或3 d multi-chip方法。”

硅光子学一直在进入数据中心一段时间由于其能力之间来回移动数据处理器和存储使用非常低功耗长距离。但它也需要比传统的一组不同的权衡互补金属氧化物半导体设备。

“硅光子学是大,所以权衡的一部分是你排除区域的方程,”说。Gilles Lamant,杰出的工程师节奏。“他们是用玻璃做的,但对调制光,例如,大部分的设备在生产微米长。权衡是不同的,你可以看看从IBM量子位权衡的真正了解。(IBM量子计算机)的顶部有巨大的编织铜电缆。这是因为他们需要非常快,非常高的带宽。如果你看铜电缆,你不能把它放在披萨盒子在一个数据中心,它与温度无关。这是巨大的和非常昂贵。”

图1:IBM的量子位。图片由安Steffora Mutschler /半导体工程

这变得更加复杂,因为铜是精疲力竭了。

“通常情况下,你有铜从AC开关,所有到前面,“Lamant说。“这里有那个小插件光子设备连接到纤维的空间在前面把尽可能多的像你希望,这一事实也完全覆盖防止通风所以没有空气流动。他们真正想做的(数据中心)取代铜追踪,包括DSP之间、开关和一切,得到光子连接在盒子里面很近,这样他们就可以摆脱铜。这是大,但实际上它是小于物理插件放在front-1mm或为每个死2毫米。Consumption-wise,激光消耗了大量的能源,但你可以把它片外虽然拥有这片上有一些好处。在全球范围内,它实际上是更有效的比传输电子传输光,你也可以很长。从这个角度来看,它更高效的使用光与电子产品。”

因此,尽管它可能会出现大的芯片,在系统实际上可能占用较少的区域比其他类型的连接。,打开车门在带宽和吞吐量显著改善。

“当你有一个处理器,你有所有这些人工智能应用程序,他们需要美联储的数据,”他说。“有一个非常高的带宽连接处理和其他东西。如果你开始分离,甚至如果你想把它们放在一起,你没有足够的空间来把所有的铜追踪有连接。功能,硅光子学没有匹配的铜,但铜还是有很多好的应用程序,我们需要找到光子学的甜蜜点。它不会取代一切无处不在。这样,这有点像先进的射频I / o。这是需要在某些地方。它会帮助很大的地方。但如果你认为这将是无处不在,或大容量,你犯了一个错误。”

汽车
这些类型的扩展超出了数据中心的挑战。车辆的电气化需要提高能源效率,因为组件依赖于电池的数量。

“所有的设备功耗小,说Annapoorna Krishnaswamy,产品营销经理在半导体业务单元有限元分析软件。“否则,电池将会提供这么多权力这些电子设备在汽车,它就会很快耗尽电池。但当谈到应用节能技术,它变得具有挑战性电源门这些系统,因为你不能把你的设备睡眠和期望他们在合理的时间内起床。添加延迟和性能产生了影响。你必须能够反应,这就意味着你不能做一个设备睡眠,希望醒来然后反应情况。因此,权力控制不是一个常用的技术,特别是在汽车视觉处理器。这里,更clock-gating技术被使用。”

这也影响人工智能设计,包括汽车的人工智能系统。“AI现在处于起步阶段,和算法不断演变,“Krishnaswamy说。“这意味着您必须确保您正在构建的算法,硬件是省电。你必须更早进行动力分析,在最节能的机会。你需要能够做到足够快所以你有这个想法后来前面,而不是在设计周期。早期的权力分析对AI-type至关重要的应用程序,因为人工智能算法在改变。”

安全
安全为power-sensitive设计添加了另一个挑战,因为薄栅氧化物和门结构使它们潜在的目标边信道攻击。

“在低功率设计,边信道安全问题可以确定通过查看电压降签名,“Krishnaswamy说。“你可以加密的数据被写入系统,或阅读。这就是使您的系统是很重要的,这样你不暴露你的电压降的签名模式,由一个黑客可以读取。芯片功率建模技术可以分析电源完整性签名会是什么样子,这样系统不是倾向于黑客。”

它不是那么容易结合在同一设计低功耗和安全。取决于应用程序,系统架构师已获得某些部分的设计来平衡这些需求。

“在数据中心中,你不可能试图确保整个系统,因为它是如此高性能消耗如此多的权力,”海伦娜Handschuh说,安全技术研究员Rambus。“你想设计一个非常小的子系统提供的安全启动的空间被认为是你的。一旦完成了安全的部分和执行,那么你可以释放系统的其余部分的力量,高性能计算。我提倡的解决方案是让一个小子系统作为一个单独的小块,将提供安全功能。因为它是如此更小和更简单,它会消耗远小于整个系统的其余部分,并且系统的其余部分在其常规硬件工作。”

简单来说,安全不是免费的。“将会有一个对功耗的影响,”Mike Eftimakis说业务创新战略主管手臂。“可能会有对系统的性能产生影响,这取决于你考虑的操作在你正在做的事情。会有影响,。这一切取决于设计和系统的类型。如果你有一个系统,一切都更独立,安全将隔离的影响在不同的元素内。将大部分软件,软件处理,这将影响整个系统的性能。在其他一些情况下,您将不得不考虑攻击可以通过不同的端口的设备,这将需要一些实际的硬件管理。可以或多或少地复杂,根据不同的安全级别,您期望。”

手臂去年推出了其平台安全体系结构,建立了整体框架,整合不同层次的安全。“基本上,你想要的更多的安全,将会有更多的影响。当你添加安全性时,你需要考虑适用于该设备的威胁。它总是会通过案件。”

有多个专门设计需要考虑成本,。例如,系统需要被添加到管理安全。也有可变成本取决于速度安全需求来应对潜在的漏洞。

“如果你有身份验证的系统,你想让这种身份验证的速度发生,“Eftimakis说。“你可以用一个小做缓慢的身份验证系统。但是如果你想要快速认证,您将需要在您的硬件加速器。你会有更大的设备。它需要时间,需要力量。但是也许有一个权衡,因为如果你使用权力很短的时间内,你可能会得到一个性能提升在某种程度上。作为一个经验法则,更安全,更昂贵的它将为您的系统。这意味着你必须非常小心,当你做了分析。考虑适用于你的设备的威胁而不是全面安全所做的一切。”

太多的安全产生不利的影响。“在某些情况下,它可以给你一种错误的安全感,因为你可能已经忘记了安全系统的另一部分,”他说。“他们说,‘我加密密钥,将它们存储在一个安全元素,等等的完美,这部分是好的。但是你考虑所有的威胁,可能适用于设备也许只是链接到服务器是弱?在这种情况下,它可以砍,人们可以妥协的设备。所以重要的是要认真考虑整个系统的安全,把真正需要的。”

结论
有越来越多的挑战低功耗,power-sensitive,今天和节能的SoC设计。有更多的应用领域,更在每一个设计变量,更有一些不确定性设计将作为新市场需要发展成形。和有更多的学科卷入解决这个越来越多的问题,从设计到安全的验证。

力量一直是一个复杂的问题,但这是一个更多的工程师正在运行,不管他们的焦点区域。对每个人来说,它正变得比过去更加复杂。现在每个人的问题,这一问题正在蔓延。