权力的时间维度

权力是能量的流动。虽然这个方程的这两个方面是很重要的,但对于不同的人以不同的方式很重要。

能量的动作太快会造成重大破坏。太多的能量随时间移动可能意味着一个非竞争性的产品,从电池供电设备等一系列广泛的位置数据中心。当行业谈到权力分析它可以覆盖整个频谱。此外,你可以做些什么来减少或减轻消费减少总能量消耗之间有很大的不同,你可能会做些什么来保护你的设备免受静电放电。

图1:能源。来源:半导体工程

在一个极端的时间表,总能量消耗执行一个函数是最重要的。一个植入医疗器械是指手术,每次需要更换电池。如果美国数据中心被认为是一个国家,那将是世界最耗电的国家之一。

在另一端的时间尺度,我们可能会看到非常高的电压和电流为纳秒只存在静电放电时通过一个设备。这种能量必须包含和消散。中间的规模,电力消耗芯片已达到限制由于热的问题,这是限制在硅可以实现什么。“当处理器的家伙跑进墙是平均功率,”说,首席技术官超音速。“这是因为它消散热量和摆脱,需要冷却。所以限制着手我们的热量可以有效清除使用常规冷却方案。”

这可能是不夸张地说,权力已经成为限制器和半导体行业的推动者。那些学会驯服权力能够完成的事情,而他们不能。能力影响权力存在贯穿于整个产品生命周期,包括软件和算法开发、硬件体系结构和实现,布局和工艺。影响的模拟和数字部分的设计。

事实上,不仅仅是时间轴必须被考虑。“空间范围完全不同的基于全球效应(如总体消耗)或当地影响(如当地IR降、电压域电网完整性),“Guillaume Boillet说,电力产品模拟部门的专家导师图形。“此外,由于力量缓解解决方案取决于贡献者的类型(逻辑、记忆、时钟树),分析必须详细的故障报告信息。”

不出所料,困惑越来越多业内人士。“一些权力相关条款通常可以互换使用,”说,首席执行官Teklatech。例如“动态功率用于开关电源的感觉,总(平均)功率引起的电路交换活动,或瞬时峰值功率,通常使用在谈到动态功率的完整性,如动态峰值电流或动态电压降(DVD)”。

这将导致混乱和设计师。“虽然总功耗和电源完整性都是重要的关键性能指标,它们是重要的不同——尽管相通——原因,“继续Bjerregaard。“总功率显示规范。电源完整性出现在收益率,因此盈利能力。”

总能量和泄漏
便携式设备或运行的电池,我们通常谈论能源切换。“我们感兴趣的电池将持续多久,“Wingard说。“他们想最大化这个数字因为泄漏之类的东西,它有时会更有利于在更高的权力运行很短的一段时间,这样你就可以关闭泄漏。泄漏是独立于电路的状态和影响它的唯一方法是关闭的事情或带他们去一个保留电压尽可能经常。这可以节省大量的能量。”

对于一个物联网应用程序泄漏是非常重要的。充电之间“你需要很长的寿命,有些人甚至试图使用环境能量或收获,”克里希纳Balachandran说,低功率产品管理主任节奏。“你可能计划之间的10年或15年电池替代,和在这种情况下泄漏是非常重要的。确实漏与高级节点少的问题,但它将变得更加的问题再次节点推进。”

数据中心也关心能源。总能量包括消耗的能量用于冷却以及执行预定任务。它不仅仅是芯片,因为所有的设备都需要补充冷却必须包含在能源消费总量。

所以人们能做些什么来减少能量?“今天没有工具测量能源消耗,“Balachandran说。“工具操作在寄存器传输级(RTL)不考虑能量。建筑能源决策水平。如果你做太多的硬件和软件,能量会如何影响?”

在这个领域有一些早期的进展。一个公司,Aggios,接到加州能源委员会的研究资助,作为计划的一部分,他们开发了一个统一的硬件抽象(UHA)已经捐赠给的格式IEEE P2415委员会。能源化的标准定义了语法和语义描述的硬件,软件和电子系统的电源管理。它允许查看、建模、验证、实现和测试设备的能量特性,包括预处理和post-silicon设计流程。

平均功率
权力方面,大多数设计团队专注于平均功率。

“平均功率是行业内的标准衡量,“Balachandran说。“任何形式的实现工具,如合成或地点和路线,试图优化权力通过比较两个选项之间的电力消耗。它将计算选项1和2的功率,然后假设权力是一个成本函数的一部分地区和性能,会选择一个特定的选择。平均功率是一个很好的代表整体力量。”

大部分的分析是在寄存器传输级执行。“设计师开始探索功率效率使用vector-less权力分析场景如空闲模式和最大功率模拟矢量可用之前,“Arti德维威迪说,领导技术产品经理有限元分析软件。“这早期的分析使他们能够比较不同实现的电力消耗,选择最有效的体系结构。当向量可用,平均功率为不同的用例执行分析来估计各种操作模式。设计师分析权力的主导模式,包括空闲模式和几个活跃的模式,如视频或相机在移动设备使用。”

存在许多技术减少平均功率,如“时钟门控使用稳定性和可观测性分析,有效的记忆,操作和识别冗余切换的数据路径元素,“继续已经受理。“设计师也验证实力的意图设计使用权力统一格式或论坛和进一步探索优化功率领域减少泄漏功率的设计。”

大多数人认为平均功率是静态或泄漏的结合力量和开关电源。“交换式电源尺度与电源电压的平方,这意味着通过减少10%的电源电压,开关电源你整体获得21%,“Bjerregaard说。“这是特别有趣的finFET设备,因为它们允许良好的性能在非常低的电源电压。这是真的,直到达到极低电压。把电源电压进一步降低了越来越大的压力对权力的噪声边缘,减少了可接受的动态电压降DVD。”

峰值功率
有些时候的交换活动中设计可以开始创建问题。这通常称为峰值消费。

“你必须问,‘峰值窗口在什么时间?“Wingard说。“在较长时期峰值与速度我们可以允许模具的温度变化。由于热膨胀我们不想看到芯片加热很快。如果你有一个区域的活动,说几十到几百毫秒,而不是权力的纳秒时间范围显著增加,然后我们可以热得太快了。失败场景联系在一起,导致事情应该连接出现,连接被破发,等等。”

热分析本身就是一个大问题,与电力消耗在一段时间内以及空间方面的芯片。芯片布局可能试图传播计算核心在表面,因此,如果一个领域开始变得太热可以关闭和加工转移到另一个冷却器核心。另外,时钟频率和电压可能会减少来降低功耗,直到温度变得更易于管理。

“峰值功率是一个较新的概念,Balachandran说。“这并不是说这不是测量之前,但公司越来越感兴趣。如果峰值功率超过包的评级,然后你就会有问题。它可能意味着你进入一个危险的区域,是一个可靠性问题。峰值功率分析的目的是确保你运行在一个安全的区域。”

当峰值功率在一个短的时间内,有不同的影响。“在一个非常狭窄的峰值时间对峰值电流通常是,“Wingard说。影响功率输出的“网络”。

电源完整性越来越困难的问题。“动态电源完整性没有发挥很大的作用在早期亚微米技术节点,“Bjerregaard说。”当时,电源完整性是静态红外下降。但随着瞬时和平均功率比缩放技术节点,动态电压降已成为重要的电源完整性度量上签字。”

电网的完整性和包装都是密切相关的问题。“峰值功率分析低功率设计的一个重要组成部分确定峰值功率和di / dt场景,”德维威迪说。“为了确保良好的报道,分析了峰值功率为真正的向量由数以百万计的周期。峰值功率分析需要真正的向量从住应用程序以确保临界峰值功率窗口不会被错过。识别的峰值功率和di / dt周期可以推动电网设计和签字。”

但这里存在一个问题。“峰值功率就像找到针在干草堆,“Balachandran说。“你不知道它会在什么时候发生。它非常stimulus-based。可能需要一个特定视频的观看,导致权力超越极限。你可能认为,峰值功率是好的,下面热信封。然后有人会运行一个应用程序,有人创造了一个新的应用,应用强调硬件,没有做过。峰值功率是关于预测的特定任务,将问题提前。”

减排的目标是明确的。“这是为了确保我们可以得到电源芯片,它是足够稳定可靠,这样其他电路可以继续正常运行,避免时间的问题,由于电源电压越低,“Wingard说。

包括在“其他电路”是模拟电路,这可能是更容易的噪音问题。“如果我们看看高速接口,您需要一个大电流支持长途通信,这都是关于你如何设计你的发射器,“说Navraj Nandra,高级营销主任DesignWare模拟和混合信号IPSynopsys对此。“你需要确保你有一个足够稳定电压进入发射机,以便它可以支持大幅波动下降通道接收机,可米分开。为了控制振幅,模拟发射机的供应必须是干净的。否则,如果有噪音在供应,你发送的是有些损坏。必须包含红外下垂和电源抑制比需要足够高,这样你是拒绝任何电源噪音。”

功率优化已经提到的一个方面就是力量控制开关领域的设计,当它没有被使用。这消除了泄漏电流从那块。然而,峰值功率的另一个方面发生在其中的一个或多个块。这是通常被称为在尖峰电流。“你必须充电内部节点和井,“Wingard说。”而不是加强供应、设计团队倾向于慢下来电源斜坡采用高电阻晶体管,然后打开低电阻开关为更好的红外特征接近操作。”

瞬时能量
在另一个极端是当前存在的时间很短。“静电放电(ESD)是一个系统级的问题,但它可以意味着9安培的峰值电流,“Nandra说。ESD的典型时间尺度可以有一个斜坡10纳秒的时间和衰减时间150纳秒。“包这么大事情,曾经是董事会被集成在芯片上。”

结论
电力已成为多维和多才多艺。行业仍然是学习经验不足够关注。只需要一个薄弱的成员团队扔掉所有的其他人的工作,今天没有的工具,可以跨类型的分析每个人都必须扮演一个团队。

“我们看到巨大的节省电力的机会在今天的设计工作在建筑层面,“Wingard说。事后想来,“思考的力量和能量是问题的根源。如果我们考虑优化功率或能量作为一个一流的过程中,我们可能会做不同的事情。”

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