拒绝的权力

芯片和系统设计师给权力更大的权重问题。但他们会不可避免地触及墙占超低功耗考虑?

性能、功率和面积是芯片设计的传统属性。区域最初主要的优先级,根据摩尔定律特征尺寸不断缩小。表现在鞍很多年了。微处理器必须更粗壮和更快。

在这个世纪,电力消耗已成为芯片和系统设计的基本指令。智能手机和其他移动设备最初开授权。但是现在重点已经转移到超低功耗,对无人机,至关重要物联网,机器人技术,可穿戴设备和其他电池供电的电子产品。

“我们总是认为我们接近极限,”戴夫Pursley说,产品管理总监抑扬顿挫的数字&验收小组。“我们将能够继续不断下降斜率,但它涉及越来越多的分析,和越来越多的自动化。”

的消亡摩尔定律已经被预言了很多次。然而戈登•摩尔的先见之明在1965年仍然有一些修改。芯片制造商转向复合半导体和2 d材料在硅的《暮光之城》。和介绍新流程节点的速度大概是每3.5到4年,而不是18个月到2年,主要是因为相关的问题光刻技术和困难制造3 d晶体管结构。但它也是越来越难设计这些芯片首先,和设计的罪魁祸首就是力量和权力相关的影响如高温和噪声。

”的一大限制因素是一个设计师,尤其是数码设计师,有一个非常直观的感受性能好和区域的影响,硅的影响,但直觉并不是力量,“Pursley说。”在某些方面是好的工具链,因为那里有一种信任。设计师可能不做他们可以做的一切之前实现最好的低功耗设计。有时,你正在寻找50%面积改善或权力,但你沿着链足够远,任何改进的机会不得不更早发生在你的架构决策。”

在高级节点尤其如此,绝缘厚度,RC延迟是一个因素在细电线,和公差噪音和变异要低得多。权力需要更严格的控制,减少热量的影响,从而影响芯片的可靠性,缩短他们的寿命。

高级产品营销Lazaar路易Tensilica IP组主任调子,说:“在移动设备上人工智能正变得越来越普遍,AR / VR、监测、汽车、无人驾驶飞机,和机器人。Tensilica AI需求方的理想候选人推理或分类使用神经网络在设备上。我们AI DSP平台为深度学习使用专门的指令,定点操作,并行计算,——飞减压,以减少设备内置AI的计算和内存带宽的需求。这可以显著提高能源效率与使用cpu或gpu。”

“供应继续降低半导体与每一个新技术,”奥利弗说,首席技术官Moortec。“这降低了利润率和推动芯片接近失败。加上这是增加互连电阻使红外下降,静态和动态,重要的考虑在新芯片的设计。”

王指出有明显好处搬到新节点。但它也难以弥补力量和性能,因为制造工艺还不成熟。转化为更多的限制性设计规则来弥补变异,进而使它更难优化电力或性能的最新进程。

最先进的流程节点添加其他一些曲折,。事情变得很棘手的地方”的有效电阻电线,”阿南德•拉曼表示高级主管Helic。“现在你处理的基本物理问(电荷),L(长度),和电线的磁行为。”

拉曼指出这并非一定设计工程师了解直到他们不得不处理它。“当他们正在处理失败的硅,他们得到它。”

和设备应该去年10年或更久,权力的目标更为严格。集成传感器电子集团经理Torsten帝国弗劳恩霍夫研究所的集成电路说,客户要求零功率对于某些应用程序。

“一个电池应该足够的关键应用程序的整个生命周期,“帝国说。“改善设计的新拓扑结构,先进的偏置方法,以及创新设计工具将进一步发展的必要条件。更好的工具将自动化更多的设计步骤,在数字和模拟世界。超低功耗限制一个很大的一步是正确的决定在半导体技术。尖端FD-SOI技术提供巨大的节电功能。不幸的是产品从批量迁移或finFET FD-SOI技术是一个非常昂贵的和危险的一步从设计的角度来看,中小型市场参与者。今天,先进的模拟和混合信号设计自动化工具已经准备好进入EDA生态系统降低迁移的障碍。”

权力是一个越来越重要的设计难题在一些意想不到的地方。

机器学习、物联网和无人机
电池的电子产品不断驱动功率需求,因为有更多的特性和功能添加到设备,他们必须持续至少长时间充电之前的版本,并且最好了。但是,权力也成为考虑等领域机器学习,这是极其计算密集型的。

“如果你考虑机器学习,训练部分,推测部分,机器视觉能够反应在硅,“节奏的Pursley说。“这是一个大的地方,我们已经看到了许多低功耗的推动。然后更多的无线技术,同时,对于这些超低功耗调制解调器,无线网络空间和,当然,5 g。手机中的一切,在物联网”。

因此,尽管这仍然是关于权力、性能和面积,平衡已经发生了变化。

“区域总是王,现在搬到更高和更高的性能,性能往往是国王,所以性能成为硬约束,“Pursley说。“然后你优化的区域。权力本质上是得到你可以get-make确保工具做什么他们可以提高能力,所以找到的机会时钟门控。有一个power-friendly布局。使用多位数细胞,所有这些事情。这是传统方式的权力进入PPA。新趋势就是权力成为主要设计指标,和设计师不能希望工具能够得到他们想要的权力。他们需要知道提前会满足他们的权力要求。”

其他人则看到了类似的趋势。卡齐Ahmed PowerPro RTL低功耗平台的产品营销经理导师,西门子业务认为,权力的一个重要因素为移动设备设计芯片,物联网,和大数据分析等应用。

“你想去绿色数据中心,或你有云技术,”他说。“但最要求的是物联网。你有医疗设备带下来,你可以将它们连接到云端。物联网设备的低功耗的关键应用程序。”

移动设备整合GPS和其他特性,艾哈迈德笔记。“当你收敛所有这些东西到一个设备,和你想保持工业形式有限,你的设备越来越小和苗条。你也想节省电池寿命。如果你有这些东西在一个芯片上,这将消耗大量的电力。”

无人机是一种超低功耗的应用程序现在与他们的汽车和其他组件,根据艾哈迈德。“无人机有很多软件代码。他们有时有android系统。他们有相同的代码,飞机使用。他们会有飞行控制系统,他们会有轮廓映射,将发射器。无人机在电池运行,无人驾驶飞机的电池能力是有限的。最小的电池寿命,无人驾驶飞机的运营周期最大化。”

智能吸尘器是另一种超低功耗的应用程序。芯片设计者转向传统技术优化功耗,根据卡齐。“移动上市时间变得越来越短,”他说。“上市时间短,人们试图减少权力,。”

图1:数十亿连接的东西。来源:Synopsys对此

数据中心
大型数据中心一直致力于电源一段时间。需要能量机架的服务器和存储,以及每酷需要能源的大型数据中心每年数百万美元。此外,冷却服务器和其他元素会导致更高的能源效率的设施。更高效的电子产品的成本,相比之下,是相对较小的,这就是为什么这个市场已经成为一个沙箱实验。

“我们对传统互补金属氧化物半导体设备,”副总裁加里·布朗说Rambus实验室。隧道finFETs和negative-capacitance finFETs是可以进入超低功耗的技术设备,连同完全耗尽绝缘体技术。一个目标是开发的设备可以操作0.2伏特,而不是0.4伏水平目前常规CMOS处理。“这东西的组合,”布朗说。“Rambus是一种专业的芯片公司,所以我们没有能力玩技术。我们采取任何大铸造厂给我们。所以我们总是想把动力循环下来我们可以。总有一个有功功率和备用或泄漏权力之间的权衡。我们现在学习如何做更好比我们过去。”

已经应用在其他领域。“传感器会变得无处不在都难以置信的低功率开车,”布朗说。“这是更大的挑战。如果我有50个传感器在一个房间里,这不是一个疯狂的事情来谈论,和电池仅去年一年你,我不想要改变的人每年50电池。这将是一场噩梦。”

虽然negative-capacitance场效应晶体管的早期,隧道场效应晶体管是一种更成熟的技术,可以使用在不久的将来,他说。

Rambus正在考虑工作量子计算一个主题,在过去被认为是科幻小说,但它是新兴的投机状态与工作是由谷歌,IBM、英特尔和微软等。为量子计算系统的内存需要运行在非常低的温度。”设备关掉更快,”布朗说。

架构的变化
至少这部分强调低功耗是体系结构的函数,即在处理实际上是完成了。随着数据量的增加,变得更少、功耗将所有的数据转移到云端。改变图片如何最有效地处理数据,从处理和存储的角度来看。

“超低功耗通常与物联网相关的边缘系统,和本地计算越来越成为关注焦点转移到较低的传感器提取信息能力限制通信到云的开销以及实现更大的自治权,“Rainer Herberholz说,新兴技术主任手臂的物理设计。“自治要求计算系统是不间断的,提供高度可伸缩的性能,并减少静态和动态功耗。为了解决这个问题,多个铸造厂re-tuned大节点提供低电压和低泄漏。这是实质性的行动呼吁设计优化。一万亿年物联网节点可以不意味着一万亿电池,所以能量收获超低功耗可能是一个司机。”

普遍的共识是,减少权力的最好方法是降低电压,但这是说起来容易做起来难。

“两个关键问题是增加操作的时间变化和挑战静态存储器在低电压,理想情况下接近保留水平,”Herberholz说。“多初创企业追求近门槛单片机设计使用自适应电压或频率扩展或异步设计。重要的是不要放弃权力SoC集成的好处。因此,我们需要找到可靠的方法来管理时间变异和支持可预测和可扩展的性能没有延长设计周期或将可靠性和风险收益率。手臂朝着超低功耗消费生态系统中发挥着重要作用,从铸造厂提供低功耗过程、EDA和推荐的设计实现方法解决低压挑战,和从新的核心和物理IP soc集成的新方法,并从系统级设计到软件设计。每一个贡献。”

但并不是每一件必然是可用的。“低电压方向键,第一个限制客户意识到是缺乏SRAM IP,”他说。“这是一种常见的经验与leakage-optimized节点55 ulp和40 ulp,逻辑可能会大大高于SRAM周期为0.9 v。关键是要实现哪些组件控制系统电源,因此电池系统不会自动带来超低功率的候选人。新兴的应用程序一般传感器节点,不包括电机、扬声器、无线流媒体或连续照明。”

这并不像听起来那么简单,特别是在更高级的节点。

“权力行为是高度依赖于芯片的活动,“Preeti Gupta, RTL产品管理负责人的半导体业务单位有限元分析软件。“传统方法确定适当的活动模式专注于短期windows对权力分析,他们运行power-critical失踪事件的风险,可能发生当芯片暴露在它的实际活动。在早期可见性力量和热真实应用程序的配置文件,如操作系统(OS)启动或高清视频帧,可以帮助你避免一些昂贵的电力业惊喜在设计过程。专门的硬件,比如模拟器可以模拟以更高的速度,这使得分析基于真实应用程序成为可能。然而,逐周期运行功率分析的实际应用程序活动非常计算密集型和需要几天甚至几周时间。”

这就是RTL模拟符合,尤其是早期的电源噪声和热分析。“能够快速运行成千上万的RTL向量用数百万周期的活动提供了几个关键的见解,”她说。“标识事件活动,如峰值开关电源(di / dt)导致大功率噪声和热的热点地区。通过聚焦于power-critical活动领域,可以提高生产率和瞬态动力输送网络的覆盖分析和降低风险的设计失败。RTL芯片当前概要文件基于真实应用程序活动也使早期和准确的合作设计的芯片,包和董事会。在系统级功耗可以对热性能有直接影响。理解能力概要文件在整个真实的模拟可以帮助您确定时间和地址的区域最消耗的设计力量,反过来导致热的问题。”

大芯片设计必须成功,她断言。“随着芯片尺寸和它的功能继续以指数速度增长,管理能力的能力,仔细分析多个操作的场景将会成为重要的成功标准。应用弹性计算等新兴技术和大数据分析RTL权力分析可以帮助管理这样的复杂性。”

结论
权力是顶部设计挑战7海里,但它也正在成为一个挑战甚至在旧的节点,需要延长电池寿命的一个竞争优势。最好的处理方法是预测能耗,明白权力是浪费,增加电源噪声和热应用分析能力在真实的应用程序中。

所以我们限制了超低功耗消费了吗?“当然不是,”弗劳恩霍夫的帝国说。“研发将找到进一步的方法。”

和集成电路设计师有一个不断增加的资源来帮助解决这一问题,利用分析工具和其他技术。虽然曾经有一个或两个电力专家大芯片制造商,它正迅速成为一个必需的能力对于任何工作的高级节点。还有更多的设计不仅要求,但需要进一步压低的权力比过去。

编者斯珀林对此报道亦有贡献。