对权力的划分

今天检查任何智能手机设计,大多数的电子线路是“关闭”的大部分时间。不管有多少可用的处理器核心,很少使用超过两个的核心在任何时候。

重点是转移,随着流动性市场趋于平缓和其他市场,比如driver-assisted车辆和物联网开始获得牵引力。在车里,关闭传感器减少一个活跃的传感器网络的有效性。这种方法不起作用与人体姿态控制游戏平台或电视。这并不在工业控制、医疗工作。在这些情况下,以及许多其他人来说,这一趋势是对实时数据处理。

但保持设备处于永久的准备状态,同时保持能源效率比供电困难得多下来的大部分设备。热与权力相关问题,如电迁移、静电放电和介质击穿,甚至会影响可靠性和功能最先进的节点。和主流物联网设计55纳米和40纳米,这类问题已经开始蔓延,。

“作为尺寸变小,更多的事情相互作用,”诺曼Chang说,副总裁和高级策略师有限元分析软件。“在10/7nm,有越来越多的电线,可以互动的热迁移。如果你看看通道总线,你有很多电线在小范围之内。热迁移效应,温度可以高于预期。一个客户测量芯片的热梯度超过45度,这是在45纳米。影响阻力,这是依赖于温度,推动设计的过去电迁移限制。”

所以你如何降低电力设备,同时保持它的积极的准备吗?答案越来越依赖更好的分区设计元素。有许多选项来启用。有些是新的。一些已讨论多年但从不广泛实现,因为没有一个令人信服的理由来证明增加的成本。但现在一切都放在桌子上,认真的考虑下。

软件与硬件
的一个基本分区决策需要在任何设备是否一个特定的功能被开发的硬件或软件。

“如果你能卸载到硬件,它帮助性能和降低能源消耗,”马库斯·利维说,EEMBC总统一个基准嵌入式系统工业集团。“你增加开销,因为你增加了盖茨,这绝对不是免费的。你必须决定你如何运行的东西,你怎么经常运行它,以及它是否对性能有影响,延迟和焦耳。所以一个真实的概要文件是至关重要的。如果你只是运行一遍又一遍的东西吸引了过多的权力。”

软件有一些明显的好处,包括简单的bug修复和更新,因此更多的灵活性在时间安排和处理工程变更订单。但它几乎总是更高效的硬件比软件的执行一个函数。

但硬件?这样的选择变得更加复杂,特别是在先进的包装增加了可用性。而明确的选择在高性能、低功耗系统历史上已经把一切都放在一个死去,这对一些企业不再是一个选项,因为没有足够的容量来维持设计和制造成本的上升。这也不是唯一的方法来节省电能。

“分区你开始在最高的层次上,把它分成硬件和软件,然后算出你想要什么样的包装,你想穿上董事会或芯片上,”戴夫·恩斯说,业务发展经理导师图形“系统设计部门。“我们仍然与数以百计的板设计。当你分区,您创建一个层次结构。所以你可能有单个或多个芯片,你可能想要从芯片级优化过程。”

系统与块
所有这一切对另一组决策有影响,这是如何做的架构分析。在过去,使用预定义的IP块分区已经完成,这在许多情况下包括一组黑盒。这些块特征明显,而另一些则不是。但随着电力收紧财政预算由于不间断的,有时在和主要功能,分区变得更复杂。而不是工作在块级、分区决定现在必须上升到系统的水平。

这是与传感器和模拟组件特别困难,因为他们并不总是启动和关闭数码组件做的方式。因此,一些厂商在一块包括模拟和数字电路,了解每一种都有其优点和局限性。

“一个主题,我们已经讨论了很多最近Synopsys对此是如何分区中更多的IP,“说Navraj Nandra,高级营销主管Synopsys对此“DesignWare模拟和MSIP IP解决方案组。“数字,有许多配置选项。你可以计划当前上下,你可以在更小的几何图形。如果你看看高速并行转换器,已经分区。有一个模拟块,然后均衡是在数字域完成的。与数字,你会得到更大的灵活性和可编程性。”

考虑DRAM和CPU之间的高速接口,例如。通过添加数字电路进入物理层(体育)、扭曲和功率/电压/温度(PVT)补偿可以做在RTL级,Nandra说。“所以你可以使用RTL连接一个内存控制器系统”。

同样的情形在力量方面。在智能手机,例如,一个大的问题是如何很快关闭应用程序,而不消耗电池。“权力和起床时间是系统决定,”Nandra指出。“所以你必须说话延迟的方式一次性吸下来不是权力。有频谱使用smartphone-you有电话,文字,也许增强现实。都是不同的应用程序,如果你做错了,而且很快就会变成一个问题。”

分区还开辟了一个新的设置或系统级的问题,。“你有复杂的配电,多个电压,功率集成电路,”乔治·Zafiropoulos说解决方案营销的副总裁国家仪器。“你怎么知道这一切都是在正确的时间吗?您可以添加adc和监控电压rails,但增加了成本。”

与众不同的想法
看着分区从一个系统级需要不同的心态,。在许多设备复杂性上升,无论它是一个智能手机或曾经是一个简单的工业仪表。这种复杂性需要更深入地理解如何使用力量的装置,通常表示为一个分布的阴谋,而不是一个固定的数量,因为它从一个用户可以有很大区别。

但这并不是一个线性发展像收缩特性。机器学习和神经网络的兴趣增长已经动摇了整个电子产业,创造新的模型处理,包括数据需要搬什么,可以在边缘节点处理和更强大的加工地点等云或甚至在一个自治车辆车载集中的计算机。

“分区计算元素突然更重要的是,”Chris再生草说节奏顾问。“问题是如何一起钩多个块。同步更容易。有更多的投资,更可预测。有一些GALS-globally异步的,本地同步。但这是战术。总有一些时间差距。目标是ultra-scale计算在不同的盒子,我们希望是异步的。”

这对其他选项打开车门,。有很多讨论是否设计为最坏的情况是一个资源的最优利用,因为它需要额外的逻辑电路,功率和性能的影响。但一直存在相对较少讨论如何增加更多的电量的个体功能和电路。

“最大的问题是如何在可接受的力量完成业务数据,”德鲁Wingard说,首席技术官超音速。“有很多闲置的操作,您需要确保这些不消耗了大量的能量。这需要活跃的电源管理,你利用很短的空闲的时刻。”

超音速支持一种方法称为能源处理单元,一个子系统最大化空闲状态在一个SoC基于功率控制、时钟控制,电压和频率管理设备。

物理分离
系统分区为多个芯片连接使用的不断增加,高速巴士而不是把一切都在单个芯片上提出了一些其他的可能性来管理权力。

“系统架构师正在考虑问题以不同的方式而不是仅仅依赖于硅技术,“说开尔文低,铸造营销高级总监三星。“你可以分区系统实现系统级的性能扩展。如果你使用2.5 d方法HBM2(第二代高带宽内存),系统级的性能也在不断增加。它变成了一个分区问题,但分布式处理方法是一个重要的推动者”。

这有对权力的轴承,因为它花费更少的电力驱动信号通过一个插入器越来越狭窄的电线在一个死在先进的节点。因此,节省电能,除了性能有明显的增加。

“HBM2的优点之一是,它是,你可以移动它接近处理,你有2 g (gigatransfers /秒/销)率,”弗兰克说,铁产品管理高级主管对内存和接口IPRambus。“HBM2较低的力量,可以重用相当多的技术。但它需要一个新的PHY设计。”

三星推出了其版本的1月份HBM2。SK海力士8月份宣布HBM2的可用性。

格雷格•Yeric手臂的人,认为使用多个死在一个包打开很多机会来优化能力,性能和成本。

“机器已经可以债券的晶片,晶片与standard-cell-level分区来,“Yeric说。“如果你做standard-cell-level分区,可以帮助支付技术。你肯定得到的性能提升。但问题在于,这是一个一次性的技巧。最终,我们看到的是什么三维集成电路你对逻辑记忆,如与CoolCube Leti在做什么。你也可以做nMOS pmo,或CMOS高速CMOS。”

结论
权力总是在设计一直是全球关注的问题,因为它会影响每一个芯片的一部分,包,董事会,越来越可能包含这些组件的整个系统。虽然大多数芯片制造商得到消息,权力需要提前处理,分区对权力而不是功能或性能没有被认真考虑。开始改变,它反映了一个不断扩大的验收,现在是一个一阶问题在所有的设计。

但分区电力系统级是没有简单的任务。是一样复杂的系统级验证和分析,有几个自己的怪癖,比如会计热迁移、热倒置,chip-package-board交互,RC延迟和能力来模拟所有这些在multi-physics级别足够迅速地仍然按时设备出了门。

不过,未来在半导体设计一直是关于效率,对权力和分区是下一个巨大的挑战需要面对和有效管理。此时电源分区是刚刚走了。它可能需要一些时间足够的工程师们正在训练这种方法来推动它成为主流。

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