权力打破一切

强调降低电力从可穿戴电子数据中心是半导体变成一场完美风暴的生态系统。现有的方法需要固定,技术需要改进,需要调整预期。即使这样的问题不会消失。

在过去,大多数涉及power-notably电流泄漏的问题,电迁移等物理效应,静电放电,RC延迟和减少电池寿命从低效的设计是处理大型复杂的工程团队在前沿过程节点。当他们无法解决这些问题铸造厂介入和调整过程。但现在55纳米认为物联网的主流工艺,和现在大多数设计使用多核和权力domains-sometimes多达100域每design-everyone被迫应对令人难以置信的复杂的权力技术。

更糟的是,过程工程师不能出手相救了。制造方面已经是摔跤自己的权力相关的问题,如减少栅氧化物之间的超薄电线,在16/14nm内外动态功率密度增加,一个巨大的和非常昂贵的努力创建下一代流程来处理日益复杂的设计。这使得即使是最好的工程设计组织正努力让一切工作,在一个非常紧密的功率预算,在日益紧张的时间安排。

“也是乐观,”克里希纳说Balachandran,低功率产品管理总监节奏。“预测的是,在每一个节点从45 nm制程到10纳米,功率会减少4.5倍时性能会增加1.3倍,你会的晶体管数量的两倍。最近部门首席技术官迈克Muller说,你只会获得2.4倍增加的性能和权力将降至约60%。”

验证和流
权力不是一个新概念时的设计。经典的力量之间的权衡,性能和面积,或PPA,已经存在了几十年。然而,现实是,在智能手机的出现,电力组件主要是马后炮。如果一个设计没有功率预算的第一代设计、机会是好的它可以是固定的,或者至少改善,在未来。

“我一直在做低功耗设计22年来,“Srikanth Jadcherla说,低功率验证架构师Synopsys对此。“经典低功率乘数和蛇。在1990年代和2000年代初,我们做操作系统管理。第二代是SoC固件。现在我们的第三代,低功率默认。”

实际上,现在在每一个设计的一个关键组成部分,并在一些是最关键的。

“权力是四numbers-density,热火方面;交付,山峰的管理;泄漏,空闲能力,可靠性和寿命。汽车和医学教科书的情况下出站电源管理。重点是你控制、连接控制。在一辆汽车,至少你有一个12伏的电池。在医学,真的很难,因为你可能会依赖于荧光来衡量一个人是否有疾病。,从0到multi-amp画得很快。我们也进入物联网时代,所以人们需要从客户机/服务器架构,客户端/服务器架构意味。有很多创新的发生。”

体系结构
考虑到减少比例的好处,创新是需要在所有方面。节奏的Balachandran指出,至少部分原因减少功率和性能优势扩展是由于多核体系结构的出现,不匹配也是预测。

架构更改保持最大的旋钮将功率降低。权力需要考虑建筑水平和融入到设计中,需要调整和设计优化能力。异构多核模型是一个新的转折。一些芯片制造商甚至试图添加硬件加速器在SoC维持在其热力和电力预算。

“我们也看到更近门槛和亚阈值设计的兴趣,“Balachandran说。“你必须减少处理器和内存访问权力的力量。如果你能简化内存访问,使问题更好的力量。3 d-ic是另一种方法。”

当然,到处都一直在不断的改进。高级主管Arvind Shanmugvel应用工程有限元分析软件表示,目前这一代的iPhone提供了50倍第一代4 x的性能降低。但它也是越来越难实现这些收益在先进的节点。

“在16/14nm和10海里,你有很多的挑战涉及权力的完整性,可靠性和热的问题,“Shanmugvel说。“我们看到动态电压降在中间行结束金属层可10%到20%的整体下降。这是一个很大的数量了。我们也看到电迁移较低的节点由于更高的驱动力量。RC延迟正在增加。在10纳米,热分析将foundry-mandated。”

工具和技术
担心力量促使企业开始看各种“新”techniques-sub-threshold和近门槛的方法,例如,随着各种包装方法,新的记忆types-high-bandwidth记忆,混合内存立方体,ReRAM MRAM-and定制逻辑。虽然都是在研发阶段,一些在市场上生产版本,挑战在于达到临界质量,所以有足够的历史要做出明智的抉择。

工程师通常没有时间思考的地平线上。最重要的指标是reliability-increasingly能力随着时间的推移的函数所花费的时间得到一个复杂的设计出了门。复杂性是加剧了越来越多的权力领域和权力国家为了保持大部分的硅黑暗。这不仅仅是发生在前缘节点。增加在每一个节点,包括55纳米,权力是一个主要市场考虑物联网设备。但它更糟的节点进度。

“在65年和130海里,我们有大约10特征PVT(过程、电压、温度)角落,”沃尔夫冈•Helfricht平台物理设计集团营销总监手臂。“在16/14nm,有50或更多违约PVT角落给设计师很多的选择优化能力和性能。挑战在于周转时间。你想尽快集成IP在每个电压域,但这是一个物流的挑战,因为你还需要确保你处理所有的角落和验证您的IP和SoC在所有情况下工作。此外,如果你利用功率控制和不同的睡眠模式,每个模式都需要不同的特征和验证。”

这是出现在验证方面,。

“现在有成百上千的权力领域,你需要更细粒度的控制更多的权力,”艾莉伯恩斯说,产品营销经理设计验证技术导师图形。“验证的复杂性是爆炸。和我们看到的需要更细粒度的控制权力在所有市场。您需要查看所有可能的相互作用,因为如果你不验证,设备甚至可能不上电复位出来。”

伯恩斯说,改变了的是有一个节能工具不再是足够的。他们都是节能,需要有更正式的权力的分析。

”的工具和方法正可以组建一个SoC验证它,”她说。“但100电力领域和RTL交互,不再是可行的。这都是打破。我们需要改变方法,这样你就可以设计IP与权力,通过SoC。我们开始看到一个趋势了解覆盖和了解状态空间,但状态空间是巨大的。”

方法很难转变。他们需要重新思考整个组织内部设计流程,从措施以及由谁当。移动设备芯片制造商一直在设法解决这些问题在过去的几个流程节点。在大型组织中,这种改变是困难的。

积极的一面,标准是越来越好,至少是变得更加多才多艺的工具。产品营销主任阿南德•艾耶低功率平台组Calypto,说的能力估计然后在大型设计更精确的读数是至关重要的,因为需要了解系统以及本地化的权力问题。

“建模和标准化本身不解决这个问题,“艾耶说。“你需要能够做动力分析在高级别上,然后找出与这些数据。”

更多的约束
给定数量的IP块,晶体管,记忆,和电线在芯片上,和复杂的方案让大多数人黑暗的大部分时间,毫无疑问,电力已成为一个主要问题。但影响加剧了更多的事情,包括“总是”等安全活动。好的安全本身可能需要重新考虑如何在一起,继续什么,我们需要尽量减少所需的功率保持一定程度的保护。

“真的是越来越重要的一件事是权力的完整性,”史蒂文说哇,企业解决方案技术副总裁Rambus。“一个很好的类比是如果你打开所有的水在一个建筑。你失去压力无处不在。一个芯片,如果你打开每一个子系统,这是毁灭性的。你可能没有足够的电压打开一切,和权力的完整性会下降。”

安全操作需要权力,但另一方面,权力是吵了。“当你激活电路可以监视,噪音,”吴表示。“这与微分动力分析的一个日益严重的问题。它真正归结为是,你要给信心一段时间,现在你必须决定什么是有用的一生和多久你会保护它。”

公司销售到汽车工业正面临其他限制,部分原因是设计的周期和部分原因是有太多的标准,部分需要坚持。权力越来越关注在那些市场,部分原因是生成的热量已经在一个小空间,和部分原因是对可靠性的影响部分。热的部分来看,越有可能会降低可靠性。

”一直是一个争论架构和系统级电能节约和尽一切的勇气硅,”伯纳德·墨菲说,首席技术官Atrenta。“储蓄力量权力时钟门控在游戏后期几乎不值得你到达RTL的时候,虽然在IP水平可能是有意义的。但单片机的人没有做任何限定符周期的,因为汽车制造商。他们只做偏置在这一点上,没有时钟门控或电压岛。”

他说,是越来越受欢迎的一件事是时钟门控的记忆,使用冗余的写操作和更聪明的方法来关闭内存的一部分。

结论
权力已迅速成为设计中最棘手的问题之一,并没有简单的解决。多个组件意味着更多的黑硅,电池寿命或能源消耗现在认为价值主张的一部分在各种类型的电子产品。在每一个新的流程节点,越来越难解决的问题,更多、更耗时。

这不是一个成功的公式。时间表是打破,核实报道的压力下,可靠性遭到了质疑。尽管所有关注生产芯片的能力在接下来的几个流程节点,它可能不是在即将成立的过程进展的设计。权力是一个限制因素,越来越难解决。