현대 전자 제품의 영역에서 동기 디자인은 초석 기술로 등장하여 다양한 디지털 시스템의 높은 성능과 안정적인 작동을 가능하게합니다. 주요 동기 설계 공급 업체로서 우리는 설계에서 전력 소비를 최적화하는 방법을 지속적으로 탐색하고 있습니다. 이는 운영 비용을 줄이는 데 도움이 될뿐만 아니라 에너지 폐기물을 최소화함으로써 환경 지속 가능성에 기여합니다. 이 블로그에서는 동기식 설계의 주요 전력 소비 최적화 기술 중 일부를 탐구 할 것입니다.
시계 게이팅
동기식 디자인에서 전력 소비 최적화를위한 가장 널리 사용되는 기술 중 하나는 클럭 게이팅입니다. 클럭 신호는 동기 시스템의 하트 비트이며 플립 플롭과 같은 모든 순차적 요소를 구동합니다. 그러나 대부분의 경우 모든 시계 사이클에서 모든 순차적 요소가 클럭 될 필요는 없습니다. 예를 들어, 마이크로 프로세서에서 특정 작동 중에 특정 기능 단위가 유휴 상태 일 수 있습니다.
클럭 게이팅에는 시계 소스와 순차적 요소 사이에 로직 게이트를 삽입하는 것이 포함됩니다. 특정 논리 블록이 사용되지 않는 경우, 해당 블록에 대한 클럭 신호가 게이팅되어 해당 블록 내의 순차적 요소에서 스위칭 활동을 효과적으로 중지합니다. 이는 스위칭 주파수에 비례하는 동적 전력 소비를 크게 줄입니다.
동기식 설계 솔루션에서는 모듈 - 레벨과 시스템 - 레벨에서 클럭 게이팅을 구현합니다. 모듈 - 레벨에서는 각 모듈의 기능적 요구 사항을 분석하고 언제 유휴 상태에 넣을 수 있는지 결정합니다. 예를 들어, 프로세서가 산술 작업을 수행 할 때 데이터 캐시 모듈이 유휴 상태 일 수 있습니다. 그런 다음이 모듈의 시계 게이팅 회로를 설계하여 유휴 기간 동안 시계를 끄십시오.
시스템 - 레벨에서는 글로벌 시계 게이팅 전략을 사용하여 시스템의 전반적인 전력 소비를 관리합니다. 여기에는 시스템의 상태 머신을 기반으로 여러 모듈의 클록 게이팅을 조정하는 것이 포함될 수 있습니다. 그렇게함으로써 우리는 시스템의 성능을 희생하지 않고 상당한 전력 절약을 달성 할 수 있습니다. 고급 시계 게이팅 기술에 대한 자세한 내용은동기식 디자인 장식 용지.
파워 게이팅
전력 게이팅은 동기 설계에서 전력 소비를 줄이기위한 또 다른 효과적인 기술입니다. 클럭 게이팅은 클록 신호를 제어하여 동적 전력 소비를 줄이지 만 전력 게이팅은 정적 전력 소비를 주로 처리합니다.
전원 게이팅에서는 전원 공급 장치와 논리 블록 사이에 전원 스위치가 삽입됩니다. 특정 블록이 사용되지 않으면 전원 스위치가 꺼져 전원 공급 장치에서 블록을 분리합니다. 이것은 해당 블록의 누출 전류를 완전히 제거하여 상당한 전력 절약을 초래합니다.
그러나 Power Gating은 또한 몇 가지 도전을 도입합니다. 전원이 다시 켜지면 블록을 다시 초기화해야하므로 시스템 작동이 지연 될 수 있습니다. 이 문제를 완화하기 위해 상태 유지 레지스터와 같은 기술을 사용합니다. 이 레지스터는 전원을 끄기 전에 블록의 상태를 저장하므로 전원이 복원되면 블록이 빠르게 작동 할 수 있습니다.
우리는 많은 동기 설계 프로젝트에서 전력 게이팅을 성공적으로 구현했습니다. 예를 들어, 모바일 장치 애플리케이션에서는 WI -FI 및 Bluetooth 모듈에 전력 게이팅을 사용했습니다. 이러한 모듈이 사용되지 않으면 전원이 꺼지고 필요할 때 상태 보존 레지스터의 도움으로 빠르게 전원을 공급할 수 있습니다. 이로 인해 모바일 장치의 배터리 수명이 눈에 띄게 향상되었습니다. 우리의 파워 게이팅 솔루션에 대해 더 배울 수 있습니다.동기 디자인 장식 용지.
전압 스케일링
전압 스케일링은 동기식 설계에서 전력 소비를 최적화하는 강력한 기술입니다. 디지털 회로의 동적 전력 소비는 공급 전압의 제곱에 비례합니다 (P = 0.5 * C * V² * F, 여기서 P는 전력, C는 커패시턴스, V는 전압이며 F는 주파수입니다). 따라서 공급 전압의 작은 감소조차도 전력 소비가 크게 감소 할 수 있습니다.
정적 전압 스케일링 및 동적 전압 스케일링 (DVS)의 두 가지 주요 유형의 전압 스케일링을 사용합니다. 정적 전압 스케일링에서 공급 전압은 설계 단계에서 고정 된 낮은 값으로 설정됩니다. 이는 성능 요구 사항이 비교적 안정적 인 응용 프로그램에 적합합니다. 예를 들어, 낮은 전력 센서 노드에서는 정적 전압 스케일링을 사용하여 센서의 기본 기능을 희생하지 않고 전력 소비를 줄일 수 있습니다.
반면에 동적 전압 스케일링은 시스템의 성능 요구 사항에 따라 공급 전압을 실제 시간으로 조정할 수 있도록합니다. 시스템이 밝은 하중 아래에 있으면 전력을 절약하기 위해 전압을 낮출 수 있으며 성능이 높아지면 전압이 증가 할 수 있습니다. 동기식 설계 솔루션에서는 모바일 프로세서와 같은 응용 프로그램에서 DV를 사용합니다. 이러한 프로세서는 간단한 유휴 상태에서 집중적 인 게임 또는 비디오 처리에 이르기까지 광범위한 작업을 처리해야합니다. 공급 전압을 동적으로 조정함으로써 전력 소비와 성능 사이의 균형을 잘 유지할 수 있습니다.
다중 VT (임계 값 전압) 트랜지스터
다중 VT 트랜지스터의 사용은 동기 설계에서 전력 최적화를위한 중요한 기술입니다. 임계 값 전압이 다른 트랜지스터는 속도와 누출 전류 사이의 거래가 다릅니다. 높은 VT 트랜지스터는 누출 전류가 낮지 만 스위칭 속도가 느리면 낮은 VT 트랜지스터는 누출 전류가 높지만 스위칭 속도는 빠릅니다.
우리의 설계에서, 우리는 회로의 다른 부분에 전략적으로 높은 VT 및 낮은 VT 트랜지스터를 배치합니다. 마이크로 프로세서의 임계 경로와 같이 고속 작동이 중요한 지역의 경우 낮은 VT 트랜지스터를 사용합니다. 비 임계 경로 또는 유휴 블록과 같이 속도가 덜 중요한 영역에서는 높은 VT 트랜지스터를 사용하여 누출 전류를 줄입니다.
다중 VT 트랜지스터를 신중하게 선택하고 배치함으로써 성능을 희생하지 않고 전체 회로의 전력 소비를 최적화 할 수 있습니다. 이 기술은 전력과 성능의 균형이 중요한 대형 통합 회로에서 특히 유용합니다. 다중 VT 트랜지스터 사용에 대한 자세한 내용은 당사의동기 디자인 장식 용지.
활동 - 기반 전력 관리
활동 - 기반 전력 관리는 동기 설계에서 전력 소비 최적화에 대한 포괄적 인 접근 방식입니다. 여기에는 시스템의 다른 부분의 활동 수준을 모니터링하고 그에 따라 전력 소비를 조정하는 것이 포함됩니다.
우리는 다양한 기술을 사용하여 시스템의 활동 수준을 측정합니다. 예를 들어, 성능 카운터를 사용하여 다른 모듈에서 수행하는 작업 수를 계산할 수 있습니다. 활동 수준에 따라 시계 게이팅, 파워 게이팅 또는 전압 스케일링과 같은 적절한 전력 최적화 기술을 적용 할 수 있습니다.
또한 활동 - 기반 전력 관리는 시스템의 향후 워크로드를 고려합니다. 다가오는 작업을 예측함으로써 에너지 폐기물을 최소화하면서 성능 요구 사항을 충족시키기 위해 전력 소비를 적극적으로 조정할 수 있습니다. 이 접근법에는 정교한 알고리즘과 제어 메커니즘이 필요하며, 동기 설계 솔루션에 개발 및 통합했습니다.
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참조
- Weste, Neil HE, David Harris. "CMOS VLSI 설계 : 회로 및 시스템 관점." 애디슨 - 웨슬리, 2011.
- Chandrakasan, Anantha P. 및 Borivoje Nikolic. "높은 성능 마이크로 프로세서 회로의 설계." IEEE Press, 2002.
- Rabaey, Jan M., Anantha Chandrakasan 및 Borivoje Nikolic. "디지털 통합 회로 : 설계 관점." 피어슨 교육, 2010.