电力问题导致更多的衍生版本7海里和下面

功耗一直是一个主要的设计考虑了一段时间,但它远未解决的问题。事实上,越来越多的设计有过多权力相关的问题,这些问题恶化的新芯片设计。

今天许多设计限制功率——或者更准确地说,thermal-limited。芯片只可以使用尽可能多的权力能够消散在保持芯片下面的每一部分温度会导致失败。热分析是困难的,因为涉及的时间尺度的秒或分钟,而设备操作多个GHz。这意味着分析是巨大的向量集,并运行时间非常长。

多么糟糕的问题吗?不清楚,因为数字隐藏真实的故事。威尔逊研究最新的功能验证研究和西门子EDA(见图1),权力问题显示芯片的衍生的第三大原因。但这仅仅是所有设计的平均数量。

图1:ASIC衍生版本的原因。西门子EDA来源

“大约四分之一的ASIC的衍生是由于电力问题,”哈利福斯特说,首席科学家验证西门子EDA和这些研究背后的驱动程序。“虽然数据可能显示一个改善的趋势在过去的六年里,权力问题仍然第三直接根据数据的主要原因。不过,我相信这是一个保守的数字,因为有些项目可能会把电源控制器错误的功能缺陷。我不能从调查数据中提取这类信息。”

全面理解数字的背后是什么需要更深层次的潜水,所以培养地阐述与设计尺寸和制造节点数据。“统计上显著的增加直接由于电力问题发生在7海里或更小,”他说。“事实上,这是两倍28 nm 10纳米。上面,我们看到权力相关的衍生开始下降明显随着节点规模的增加。至于门数,还有一个显著的增加直接由于电力问题发生在盖茨设计大于10米。事实上,最大的桶设计超过100亿门。结论:数据显示较小的节点尺寸和较大的门数是权力相关的衍生的因素。”

这意味着权力可能衍生的头号原因最大最新的节点设计,这是在添加之前的失败没有权力相关记录。例如,timing-related问题可能引起的权力。

“有情况你没有预料到电压下降,”马克说Swinnen产品营销主管有限元分析软件。“当这种情况发生时,这并不是说一个晶体管停止工作。只是开关速度较慢。这些减速路径导致不工作频率。f的下降_马克斯人们正在经历是因为他们没有抓住正确的开关组合,导致这种情况。”

有一个方法新兴的差距。“当你谈论到硬件设计,软件方面你可能说数十亿周期的数据,“说总裁Sancheti,系统架构师的副总裁Synopsys对此。“例如,我们有一个客户想要资料的能量芯片五秒钟的操作。在大约5秒千兆赫的频率基本上相当于3000亿周期。他们需要效仿3000亿年周期运行实际的应用程序,和想做的电力和能源消耗时间。这需要一个非常高速仿真解决方案。”

但方法论的问题远不止这些。“我们看到系统失败时安装了新版本的软件,“阿米尔Attarha说产品经理快速的力量在西门子EDA。“这确实是一个指标的一个问题。通常情况下,验证人运行小测试。他们写的验证工程师,期间和运行模拟和估算能力。他们应该专注于工作负载或最终用户软件,往往会揭示问题错过了小测试用例。对权力的估计,这一趋势正在离开。目前跨度从签字,现在更早的权力分析。这意味着权力回归分析应该不再是马后炮。关键能力指标时必须重新每周运行功能验证。 That means they need a regression suite for power.”

过去几年也见证了公司尝试大芯片的数量的增加。“有两段跳了明显更多的权力问题,”福斯特说。“他们是汽车和CPU /微处理器/嵌入式处理器/等。汽车并不让我吃惊。我已经在多个讨论与汽车公司最近已经跳进了硅业务。有些人很天真的看待复杂的集成电路设计,和一些错误的假设。此外,我的直觉是,一些系统房屋也天真,但我不能量化的数据。关于处理器,我无法区分,例如,如果这可能是一个定制的处理器是由一个系统的公司。”

另一组公司还希望电力优化与工具保持隐藏和照顾。“能源优化工具不能让软件开发过程更加困难,并认为节能是发生在幕后,”斯科特•汉森表示Ambiq创始人兼首席技术官。”期望的结果是为设备用户提供一个更良好的用户体验,随着设备将受益于增加电池寿命和性能的节能操作“神奇”会发生在幕后。”

相关的优化
随着系统越来越复杂,许多优化变得更加困难。说:“有很多权衡,塞尔吉奥•Marchese SmartDV高级技术人员的成员。“例如,越精炼时钟门控功能越多,盖茨将成本、以及工程努力实现和验证。IP的挑战是开发人员常常无法衡量的影响他们的决定。只有系统集成商可以告诉如果节省是值得的和额外的逻辑。流线型的过程需要快速和可靠的IP节电功能适应系统的具体需求,以便它可以提供最优的平衡。”

与老化的电力问题也能得到纠缠,处理这需要复杂的芯片上的监控。它可以展示某些库元素转变时间和剩余时间保证金以及关键路径。它需要仔细的规划。“你把传感器在哪里?如果你在网格分散均匀,芯片只有某些热点”,说Ansys同化。“所以你是在浪费大量的传感器。但是你不想错过一个热点。如果你做足够的分析,你知道热点在哪里。工具来提供这些信息是相当新的。你构建安全裕度多少? The more you can predict this, the less you have to guess and guard-band. Whoever has the best thermal tools can come closer to the margin and get higher performance or reliability for the same cost.”

这是一个发展迅速的领域。“老龄化会影响所有形式的通信,“托马Morad说,研发组主任Synopsys对此的嵌入式软件开发团队。“我们现在有监视器die-to-die信号的完整性。他们测量的质量信号穿越球基本上,从一个死。这是高速采样的信号。从抽样,您可以生成一个眼图使你基本上你的信号的质量。压力是一个机械的事情。作为设备加热,然后冷却,压力会在那里。现在这是一个重要的因素,因为从die-to-die,有成千上万的连接。一些失败的概率增加,也通过这些连接速度增加。 So there is high interest in monitoring.”

进步发生在许多领域。“你不能总是预测数据中心的工作负载,“Firooz马苏迪说的成员在Synopsys对此技术人员。“因为,你不能设置一个静态频率或电压。你希望能够观察到发生了什么。如果一个核心上运行它,它将运行在更高的温度,你可能需要相应地调整电压。你也可以使用在许多方面的反馈。例如,如果您有许多核心,和一些核心更接近周边的死,他们可能会运行冷却器。因此优化器软件可以负载分发软件因此,也许冷却器芯将负载与另一个。”

建模和分析
如果你不能衡量的东西,你不能优化它。这是一个障碍对于许多功率降低技术,而这一切都始于模型。

“需要一定数量的准确性,但与其说准确性的周转时间实验是站不住脚的,”罗伯Knoth说,产品管理总监抑扬顿挫的数字&验收小组。“我们有趟车(统一格式),定义了权力的意图。最初,这是特别的东西人建立第一个手机芯片是自己做饭的。然后他们需要规模,productize,自动化,等等。现在,几乎所有的设计是使用某种形式的权力意图。”

那些趟车文件可以变得非常复杂。“UPF值机制来捕获复杂的电源管理意图,“说Synopsys对此Sancheti。“我们看到设计的UPF权力意图是相同数量的行,或者更多,比设计本身。是绝对的电源管理的复杂性迅速上升。”

但是,这留下了两个问题。首先,如何验证UPF值内容?第二,这并不提供电力或能源配置文件。它只定义的权力应该存在于设计的功能。

“如果有人想做一个真正的软件层面权力分析,你不能指望做功率估计最老式的方法——“Sancheti说。”,要求将设计转化为盖茨,然后计算每个门设计的力量。这是有用的RTL或实现水平权力,但需要什么系统级功率分析建模。这些需要更高级别的系统模型。系统级功率建模一直是业内容易理解但尚未解决的问题在过去的20年。”

几年前有希望取得进展。“2019年有所谓的统一力量的释放模型(芬欧蓝),“说Gabriel Chidolue高级主要产品工程经理西门子EDA。“最初开发Si2,然后转移到IEEE 2416委员会。有很多议论。但是像所有这些新标准,很多用户需要找出适合于自己的工作流程。人难以找出如何估计很长一段时间,他们已经选定了一些解决方案。但是他们并没有利用现有的基础设施。”

相反,用户似乎继续专注于低级能量优化,和那些需要更精确的力量估计比通常可以达到使用系统级建模。但数组技术被一些公司。

“我们提前使用大量的建模与仿真,以确定哪些硬件和软件应该实现的机制和政策,”Chris Redpath说技术领导权力的软件手臂的中央工程。“我们也使用电力仪表、测量用例和调度数据的分析找出有效地控制工作,并找到进一步改善。在软件开发团队中,我们与我们的硬件团队密切合作,以了解他们在控制实现和提供指导和指标可以被有效地应用于软件。最终的结果是一个良性循环,提供完整的系统高效运行并提供高峰表现。”

虚拟原型可以在这方面提供帮助。“我们的一些客户是应用基于硬件的仿真生成一组健壮的功能刺激模型不同的工作负载,“节奏的Knoth说。“然后,使用高级合成和RTL-based实力估计,他们可以探索许多不同的场景(见图2)。这应该在软件吗?我们应该把这个DSP ?我们应该做一个硬件加速器,或一个专门的硬件加速器吗?”

图2:使用虚拟样机执行硬件/软件权衡。来源:节奏

这通常需要相当粗糙的动力模型。“很多电源管理软件,正在进行“Sancheti说。“你需要硬件的表示,允许你这么做之前水平的权衡RTL的承诺写一行。有更多强调架构级规划和探索,从而帮助系统设计师做这种类型的假设IP选择域分区,voltage-versus-DVFS策略。这一切需要发生在架构层面,这是一个大投资领域为我们的客户。”

结论
虽然它可能是半导体行业面临的最大问题之一,没有明确的方法或工具,协助优化权力在任何寄存器传输级以上。能力建模、分析和验证技术是原油相比,采用功能验证,并没有迹象表明这将提高在不久的将来。因此,我们可以得出这样的结论:力量将继续造成很多资源,先进的设计,趋势可能会恶化而特设的技术继续被使用。