寻找一个低功耗体育

物理学已经在芯片制造商的一生摩尔定律,但当处理芯片外的世界,物理是对它们不利。将数据以更快的速度通过董事会和系统消耗越来越多的权力,但对芯片的功率预算并没有增加。

芯片可以限制它们的接口?虽然没有物理数据连接的芯片在理论上是可能的,它是不实际的。这将意味着处理和内存都集成在一个死,所有包含内部或界面上的无线传感器和致动器。它将无法访问,更新,甚至除了通过这些无线接口测试。一旦数据信号通过从芯片到外部世界的针包,生活变得更加困难,这是物理层接口的工作,或高寄生PHY处理,嘈杂的环境。

是由一个不匹配的问题。芯片的逻辑电路中的电压和电流在一个向下的轨迹以及节点大小,但外面的世界没有改变的尺寸以同样的方式。电线包外的数百倍的时间,他们有更高的电容和电阻。在芯片内部,处理变得更快,这取决于足够的内存吞吐量或访问原始的数据需要反过来意味着外部接口必须以更快的速度运作。

这有多糟糕?”有一个顾客已经好几代的ASIC,每个芯片是400平方毫米,”比尔艾萨克森说,高级ASIC产品营销主管eSilicon,“他们需要大量的通过DDR内存带宽和他们所做的动态随机存取记忆体年代。50%的芯片是他们的逻辑,50%都是物理。最重要的是,尤其是当你有大量的DRAM频道,你有间接影响,这意味着你需要一个大的包,因为针和针的隔离。开董事会,他们需要20层。如果没有,我们就知道了,4或6层。所有这些转化为成本。”

phy需要高驱动能力和通常包含电路,试图弥补坏事情和芯片之间的另一端。这意味着他们也饿了。艾萨克森说,“三分之一到一半的总功率消耗是物理。”

权力是一个问题对于所有芯片独立于其消耗的能量。低功耗芯片通常由电池供电,所以每兆瓦至关重要。高端服务器经常碰到热的问题,因此必须适合所强加的限制他们的操作环境。

扩展的体育
大多数物理包含两个模拟和数字组件和模拟块不规模与技术节点。这意味着PHY可以消耗更大比例的总体芯片在每个新技术节点。“如果你遵循的设计规则更小的几何图形,然后phy不规模,和在某些情况下可能会变大,“说Navraj Nandra高级营销主管Synopsys对此的DesignWare模拟& MSIP解决方案组。“较小的几何图形有更严格设计规则这可以使他们更有挑战性。如果你什么都不做,最好的情况是,它不规模。最坏的情况是它变大。”

电压差异也可能会增加。“接口电压通常更高,因为核心电压可以收缩的过程,但与通道和信号的接口标准,”基肖尔Kasamsetty说,产品管理和营销主管节奏。“一半的功率预算可能消耗的内存子系统,那可能是1 w对高端系统使用一个72位宽接口。您可以构建系统只有16位宽,少了很多权力,但也降低带宽。所以你遇到内存带宽墙和墙因为内存访问体系结构的力量。”

值得庆幸的是,现实是不一样的的声音。“我们设法减少的面积phy当移动到下一个节点,但它需要回到基本知识和观察架构和寻找不同的方式做同样的功能,“Nandra说。“当我们从散装28纳米技术搬到16 nmfinFET技术,历经近一年重新构建扩展。”

并行和串行
大多数芯片将包含两种类型的接口、并行和串行。“一个串行接口有一个序列化器/反序列化器(并行转换器),和数据是跑得一样快,“Kasamsetty解释道。“内存接口,或其他并行接口,它是一次访问更多的数据。你需要获得足够的数据吞吐量并行访问。”

PHY设计为每个截然不同,它基本上可以归结为时间用于每个接口的引用。串行连接,每个车道数据链是自给自足。并行接口,时钟不是嵌入差分信号。所以你不必担心这种差异影响接口的最大频率。串行链路,28个ghz的速度很常见,而并行接口是200 mhz。

这会影响到周围的电路。串行连接需要时钟和数据恢复电路。并行接口需要一个锁相环或DLL de-skew每个数据行。

图1:DDR PHY框图

但是时钟频率不是万能的。“并行接口有一个优势,因为你不需要延迟挤压通过串行通道,一切“Nandra说。”得到相同的并行接口的吞吐量,需要许多平行线。考虑PCI的变换。当PCI从PCI PCIx PCI表达,它从一个并行接口和转换为串行接口。这增加了带宽,现在16 g事务/ S,但一直延迟的挑战。”

还有另一个问题与内存相关接口。“串并收发器接口,它是平衡的,是建立在一个ASIC过程结束,”指出Kasamsetty。“与记忆,远端non-logic过程,通常要慢得多。这意味着它是不对称的的责任管理界面。上的负担SoC一面。”

这是因为内存行业非常敏感的成本和制造过程是高度优化的存储密度,不是为了快速逻辑。这限制了传输速度,和DDR接口反映了当前与董事会相关的假设,包、连接器和DRAM技术可用。

所以使DDR5可能改变了什么?“所有的接口必须调整,“Kasamsetty解释道。“今日只是略好,但SoC是一个重要因素。DDR4 28 nm设计现在DDR5针对7海里这意味着你有更快的逻辑。体育是一个混合的模拟和数字I / O的晶体管规模不大,我们受益于逻辑扩展。事情,比如倾斜,会搬到数字。还有一个成本因素。当像英特尔这样的公司做一个服务器参考设计板和连接器吗?创建的数量可以降低价格。今天可能太贵了会改变成为主流。 To make DDR5 happen you do need more layers on the board. These things are evolutionary.”

获得更多的体育
在很多情况下,内存不断写入,读取。“难以处理从权力的角度来看,”艾萨克森说道。“基于finFETs asic,这个过程真的帮助泄漏问题。这意味着我们真的处理有功功率时,如果你是做直飞读写内存,可以做些什么来减少权力?在这一点上,我们只能讨论定标电压或频率调整。这是一个很多简单的电压。扩展频率变得相当复杂。”

这个有趣的体育是没有标准的。“电平标准组织,他们定义的设备应该是什么样子,以及它如何应该遵守,”指出Kasamsetty。“这是PHY提供者或SoC公司他们想要如何使用它。你可以兼容,假设DDR4,但是你如何做频率扩展到体育。在移动应用处理器,他们做很多频率扩展以节约电能。当你试着推动性能、功率效率下降。”

处理在移动世界的一种方法是使用动态调整频率在SoC级别,并在接口级别。“如何管理PHY和控制器,“继续Kasamsetty。“这集频率之间的延时开关,你可以关掉电路当你减少频率,但是有多少,你关掉的频点,你会绕过锁相环和关掉吗?有很多低功耗状态管理留给体育。”

通常情况下,低功耗状态添加延迟。当执行频率切换,需要对体育训练和初始化的频率。当你改变频率,可以省的训练状态低的频率点,这样当您切换回来,可能不需要再培训。

Nandra提供的另一个例子的方式系统可以优化。“当PHY和数字控制器相结合,可以减少延迟等问题在数字层通过删除冗余边带信号所需的合规要求,如PCI express。结合时你不需要这些遵从性需求和他们可以删除,帮助区域和延迟。”

逐渐减少的资源
作为物理的设计变得更加复杂,有越来越少的人能产生高质量的phy最激进的技术节点。“我们开发我们自己的高带宽内存(HBM) PHY和我们开发其他内存接口PHY时不出现在市场,”Isaccson说。“但是事情时更加序列化,我们通常去外部那些。”

许多公司从制造转向购买和越来越多的人不再拥有必要的专业知识。“在网络空间中,并行转换器是如此重要,有越来越多的公司将设计自己的“Kasamsetty说。“在应用处理器的空间,有更多的内存接口和他们做的人,因为它会影响产品的价值主张。他们也可以做上市时间的优势。DDR5或LPDDR5不是结束,但对于大公司来说,他们可以与供应商和合作的设计标准发布之前。”

新包装
讨论PHY不会完全没有看,新的包装技术可能对体育的影响设计。”领头的环境大大改善,当你从flipchip或wirebond成3 d实现你在哪里处理microbumps,“Nandra说。“少的距离减少了所以你看电容,电感是几乎没有因为你是推microbump旁边。”

一个早期的接口在这个领域是HBM。“如果你把内存芯片,你真的困了静态存储器”,艾萨克森说。“这些记忆可以配置为巨大的带宽。DDR能做3.2 g每秒传输跨16针。ASIC,我可以做一个1000位宽通道以同样的速度,所以没有比较从带宽的角度来看,没有比较从权力的角度来看。它是更有效。HBM,我们正在处理的东西包。我们可以得到巨大的内存带宽以非常低的权力仅仅因为整体规范的内存已经改变了。我们正在利用内存及其对ASIC和体育的影响。”

还有其他的优势。“如果你考虑这些平行线的速度运行在HMB2,它不是关于从相声的角度来看,“Nandra补充道。“我们正在考虑1024针,这些信号的振幅和他们旅行的距离很小。HBM2硅图形芯片,我们正在运行,2 tb / s .”

但也有一些缺点。“今天的主要市场是图形市场高端系统,并使用它”指出Kasamsetty。“这些都是非常昂贵的成本并不是可行的今天对许多其他应用程序。当成本曲线会足够的下一个大市场,如网络?它将需要一段时间和消费应用程序,比如手机。它仍然是一段时间。”

艾萨克森也指向一个技术问题需要更多的关注。“与外部DRAM,他们通过董事会热耦合,但相对松散耦合。如果你在谈论将内存集成到包,热耦合变得很强。一个ASIC更广泛的操作温度范围比DRAM,如果他们都集成在一起,最不宽容热定义整个系统的规范。它变成了一个双重打击从热的角度来看。这不仅仅是散热。是维护一个接点温度大大低于你否则会没事的。”

结论
的设计和集成phy不可能孤立的完成。“我们必须考虑整个系统,”艾萨克森总结道。“专业知识,进入建筑的不仅仅是体育的模拟部分的设计,而且在包装设计,板的设计,信号完整性、电源,热传递,根据记忆类型,也可能导致讨论制造能力和机械功能。如果你实际构建它,那么你冒这个险呢?它可以包含各种各样的学科能够想出一个工作产品在一天结束的时候。”

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