系统级建模扎根

权力、热老化和他们的联合效应和可靠性,越来越关键变量芯片的设计将使用在各种各样的新的和现有的市场。

随着更多的处理优势,传感器的数据生成一个海啸,有许多因素需要考虑的设计。一方面,权力预算需要反映,许多这些设备将需要做更多的处理一次电池,或安全至上应用电力及相关生理效应会影响可靠性的预计寿命的设备。另一方面,这些设备将部署在各种用例包括无线通讯报道不一致,有时极端的环境条件,不同与其他设备之间的互动,任何可能影响其消耗多少能量。

所有这些信息需要建模和模拟,越来越需要模拟的整个系统。但是早些时候发生在设计流,当决定权力可以纠正在其他方面的影响。有时它必须发生在市场没有先进的电子技术的历史,或者安全取决于持续的功能。

“除了静态和动态功耗,这也提供了功率估计预计相关用例,特别是通过集成应用软件和模拟现实的使用场景,”罗兰Jancke说部门的设计方法弗劳恩霍夫的自适应系统分部工程。“活动模式,或所谓的任务配置文件,在宏观层面上一样重要的工作周期是在微观层面上评估整体功率预算。同样适用于可靠性分析在判断是否终生目标得到满足。它允许估计预期的工作负载的处理器和/或平台,并有助于识别瓶颈。”

从整体架构一直是重要的性能和功能,但日益强调权力建模在设计过程的早期是新的。

“这种方法提供了早期决定选择合适的总体架构,指导尺寸的电池和电源组件,甚至选择供应能量收获,”Thomas Markwirth说工程师弗劳恩霍夫的东亚峰会功能建模和验证工作组。“此外,进一步系统级仿真是一个起点节能关于内存优化概念和算法实现,例如。”

系统和解决方案的副总裁Steven吸引和杰出的发明家Rambus对此表示赞同。“你需要模型的端到端,芯片从一个到另一个地方。可能会有低信号改变,您需要了解所有的方式通过能力的影响。但它更难以在速度的模型。这里的底线是,有影响的一切。”

级联效应
在每个新流程节点功率问题变得更糟。静态泄漏、动态功率密度、RC效果,各种权力相关问题曾经是后期处理设计流程。这不再是可能的,即使设计包括多个芯片中包。和问题在一个领域的设计可以级联到另一个领域的问题由于薄栅电介质,快速开关切换时间,甚至过程变化。

有许多因素在起作用。说:“一个方面涉及到能源Anush莫汉达斯·,营销副总裁和业务发展NetSpeed系统。“好工程师谈论带宽gb每秒,或上限是多少功率。真正锋利的建筑师谈论能源,能量运动,这是什么意思。他们不只是谈论字节每秒。他们说gb每秒每瓦特所以他们包括能源的概念。能源直接对应于电池寿命,很直观。你使用更多的能量。但是有一个固定数量的电池,所以你应该关心能源,因为影响备用电池或使用次数收费包。”

动力建模的另一个方面是热效率和热热量映射。“关于热地图,你担心热分布和为什么它很重要,因为如果芯片的一部分变得非常热,你关闭它或者更低的特点,“莫汉达斯·说。“这影响性能。热效率和热映射发挥作用,当你看着热特性以及它们如何影响性能。这是最主要的方面。第二方面是任务管理。因为你有这些异构体系结构,将会发生什么是我大CPU持续了很短的时间内,然后将消息交给小CPU,之后将消息交给gpu。然后是相干的。在这里,任务管理变得重要,因为任务管理影响热热图,影响性能。所以当人们谈论电源管理,他们只是想电池寿命。 Battery life is one thing, but in fact power management has a much more direct impact on your performance of the chip, especially in heterogeneous hardware.”

没有短缺的工具来处理这些问题。事实上,在过去的十年EDA厂商已经将新工具来处理各方面的力量,热老化和其他物理效应。但在过去,真正的重点是对权力作为性能的控制因素,而不是一个主要关心的在设计的早期阶段。这种转变是微妙而重要。

图1:好的动力建模。来源:节奏

”为架构的用例,它曾经是所有关于性能,”Tim Kogel说,解决方案架构师Synopsys对此。”和早期的软件开发,以前所有关于抚养软件,使它工作,调试它,如果有一个问题,测试它。但力量在这一水平,系统级力量的分析,而不是详细的签字权力分析你在门口——两个水平虚拟样机用例、系统级电力虚拟样机模型就像一个叠加。”

然后UPF值3.02016年批准的标准,规范的格式系统级电力监控。”,至少提供了一种方式来表达组件的能耗水平,通常,一个知识产权一个核心或一个缓存块或一个加速器或一个记忆,”Kogel说。“对于每一个有系统级功率状态机可以计算功耗。然后电源监控叠加虚拟样机,建立虚拟样机,通过添加电源模型,系统级力量分析是可能或多或少的自由”。

确定系统级的力量,许多工程团队今天试着把所有的静态功耗。问题是这种方法省略了很多细节,尤其是如何利用和不同组件的活动随时间变化的。

“过去可以假设一些平均功耗对于每一个组件,但是今天你有黑硅的影响,“Kogel说。“soc太大所以一切积极力量管理不是主动关闭,这意味着平均功率不会告诉你任何东西。你需要看一下用例。用例如何激活不同的组件,然后开始消耗功率?这种情况正在改变,是一个短暂的功耗波,必须看。这是当你有一个虚拟样机模拟活动可以在高级别上,建筑工作负载水平或基于运行软件,给你更多的功耗随着时间的推移,现实的结果。”

系统级功率建模的发展
采用系统级功率建模开始相当缓慢UPF值3.0标准出来后大约两年前,Kogel观察。“我们试图通过研讨会和提高认识的文章,但总有阻力功率模型的可用性和结果的准确性。用户通常比系统级功率模型对签字功率分析。不愿意是可以理解的,因为它是一种不同的思维方式。与建模结果需要承担更多的责任。例如,与权力模型结果依赖于特征。一开始,描述是基于估计。”

最近发生了很大的改变,有几个原因。首先,越来越多的复杂性是推动工程团队转移到更高层次的抽象。当打破既定的方法,人们更愿意倾听新的想法。其次,计算强度持续增长,但在移动设备和电池容量的冷却成本规模数据中心的应用程序不一样。

”,多年来一直如此,但与先进的应用程序5克,人工智能自主驾驶/飞行,我们似乎已经到达了一个点,工程团队必须看在一个更全面的方式,”Kogel说。“现在部署项目高级应用领域包括ADAS系统级功率分析,5 g,人工智能调制解调器,优化权力架构,和4 g调制解调器,优化能源管理软件。

此外,精密电源管理(之间的差距clock-gating,功率控制,电压/频率扩展)和高级电源管理(操作系统的电源管理)已经变得如此之大,它只能使用系统级模型有效地管理。

NetSpeed莫汉达斯·需要更进一步,说权力系统级建模的实践无处不在,无处不在,和对公司有足够的资源,这是完成仿真。“你真的把设计模拟和运行软件。你打开操作系统和看到的权力意味着什么,power-gating效率,或者时钟控制效率。你可以在模拟或你能做到模拟。关键是这不是其中之一,你会说,‘我要做我的芯片,不管权力是什么,权力。”

权力在上下文建模
动力建模是足够复杂,考虑到所有可能的用例。但是很难带权力远离如热应力和相关的影响老化,特别是当涉及到应用程序涉及到安全的地方。

“老龄化等可靠性问题曾经是一个利基应用程序有两个或三个工程师在公司分析孤立地老化,“Hany Elhak说,产品管理和营销总监节奏。“所以他们会看着热载流子注入,发言(偏置温度不稳定性)和自我加热,这在过去是独立于老化。但是你需要把所有的这些现象结合在一起的一种方式。它需要一个整体分析模型退化和磨损的设备。”

结果是热仿真越来越被结合电气仿真和电力仿真理解权力的所有可能的影响。“在边缘附近,你可能有一个不同的温度比中间的设备,“Elhak说。“影响老化的分析和现场故障的数量,和目标是让失败率下来。”

它也有一个IP的溢出效应。大多数商业和UPF值启用IP在当今市场上,因为这是SoC架构师如何建模能力,指出Navraj Nandra,高级营销主任接口IP Synopsys对此。“系统架构师基本上捕获各种权力类型信息,如权力领域,权力,从功耗状态转换表格然后导入工具。他们可以包括支持诸如权力岛屿,和保留细胞,它允许它们来定义寄存器保留特定的权力过渡的状态。这都是通过UPF值,也允许工程团队运行不同的场景模拟通过改变各种权力状态切换活动然后功耗可以预测,随着权力的SoC模型。”

一个非常不同的未来
司机对权力的列表建模正在增长。异质性在设计几乎是能源效率的要求,这也解释了为什么重点是非常具体的加速器,而不是大型的cpu或gpu。“这通常是因为没有足够的内存带宽,和热图像都是红色,“莫汉达斯·说。“这就是为什么coherency-so你不需要一直在记忆,你不需要做缓存冲。这就是为什么硬件一致性来,因为如果这是做软件,内存缓存会被清空。你不仅浪费宝贵的内存带宽,你浪费了大量的电力。”

此外,增长的需要处理的数据量等新的应用机器学习和人工智能设计团队需要支付更多的关注。“有一整套机器学习芯片开发的想法把边上的,推理训练设备,“Nandra说。“有数据中心做各种各样的大数据分析和数据处理。还有边缘设备,例如,像智能手机,面部识别,或汽车,需要快速识别移动物体。对权力的高峰需求的边缘设备基本上是当你试图解决一个图像,和权力的概念建模是找出当培训和推断发生和应用最优数量的力量。同时,一旦你有了一个主意的图像在识别循环因为你慢下来,可以做其余的计算,因为推理算法在边缘设备的重大决策权力crunching-you可以优化处理器数量操作在一个较低的时钟速度节省电力。”

做这一切,UPF值需要钩子在SoC的IP通信,因为很多接口功耗正在发生,他说。“你要确保一旦你理解了这个数学信息和处理器开始运行,您就可以将这些接口进入低功耗模式,“Nandra说。

结论
越来越多的因素,从爆炸的数据更多的用例和新的市场应用,迫使权力的前沿设计过程。在过去,力量被认为是一个重要因素,但不一定是一个关键。越来越多的,是被视为一个关键元素在实现必要的设备性能和持续的功能对其预期寿命。

因此,正确的权力模式不再仅仅是几分钟的电池寿命。越来越多,它涉及到功能的设备在各种用例和应用程序,这导致更多的人比以往任何时候都更认真地对待这项运动。

编者斯珀林对此报道亦有贡献。