Full Text

Введение. Глобальный тренд повышения энергоэффективности стал основным направлением развития вычислительной техники за последние десять лет [1, 2]. В связи с распространением методов динамического масштабирования напряжения и частоты работы стали набирать популярность самосинхронные схемы. Особенно актуальна задача оптимизации энергопотребления отказоустойчивых цифровых схем [3]. В работе [4-6] были предложены модели энергозатраты/надежность (ЭН) для самосинхронных схем, которые позволяют выбрать наиболее подходящий метод повышения надежности для определенного цифрового устройства. Для построения моделей были использованы результаты симуляции множества различных схем на различных моделях транзисторов. Предложенные модели включали в себя параметры энергопотребления схем индикации и не учитывали потребление сигналов синхронизации, в связи с этим они не применимы к синхронным схемам и любым решениям, которые используют синхронный подход, в том числе глобально-асинхронным локально-синхронным схемам [7, 8]. Известно, что статическое энергопотребление зависит от тока утечки, т.е. напрямую зависит от количества логических элементов (ЛЭ), а динамическое энергопотребление зависит от частоты (f), напряжения (U) и емкости (C) [9-12]. Разработчики идут на снижение частоты для снижения динамического энергопотребления. Снижение частоты позволяет снизить абсолютный показатель динамического энергопотребления, но при этом увеличивается время выполнения операций. В результате время выполнения задачи увеличивается, а поскольку количество операций в задаче остается неизменным, то общие затраты энергии на операцию могут даже вырасти. Таким образом, подход уменьшения частоты для снижения энергопотребления в целом является ошибочным [13]. Параметр емкости ЛЭ является константным для библиотек элементов и не может быть изменен схемотехником. Таким образом, остается только один параметр - напряжение, который можно изменять для получения выигрыша в энергопотреблении. Следует отметить, что напряжения и частота находятся в зависимости, так как снижение напряжения увеличивает время переходных процессов, необходимое для перезарядки емкости ЛЭ [14]. Для развития методов оптимизации проектирования цифровых устройств необходимо знать, как методы повышения надежности повлияют на энергоэффективность и производительность ГАЛС-устройств. Целью работы является получение параметров энергопотребления базовых логических элементров синхронных и ГАЛС-систем на транзисторном уровне с помощью методов схемотехнического моделирования. 1. Моделирование энергозатрат базисных логических элементов на транзисторном уровне. Для моделирования будет использоваться модель транзистора bsim v3.3 для технологии 180 нм. Известно, что погрешность данных моделей может быть до 30 %. Дополнительно следует учесть погрешность из-за использования идеального источника питания. Для того чтобы снизить влияние погрешности от идеального источника питания и других негативных факторов bsim моделей [15], в качестве объекта моделирования будет выступать не единичный ЛЭ, а цепочка ЛЭ (рис. 1). Первый эксперимент проведем с цепочкой из десяти инвертеров. Для каждой схемы приведены средние значения тока потребления и задержек (табл. 1). Рис. 1. Цепочка из десяти инвертеров Таблица 1 Результаты моделирования энергопотребления и задержек в цепочке из десяти ЛЭ Ток, мкА Длина импульса, нс Длина фронта, пс Длина среза, пс Напряжение, В Частота, МГц Тип резервирования 10,254 9,963 579 641 3 100 НР 34,516 9,988 637 668 3 100 МР 26,776 10,087 741 791 3 100 РТУ Так как ток потребления (It) при МР определяется по формуле It = Iр + Iк, где Iр - ток устройства с резервированием, а Iк - ток устройства контроля, то целесообразно отдельно определить каждый ток - 34,516 = (32,48 + 2,036). Рис. 2. Цепочка из пяти ЛЭ 2-И-НЕ Таким образом, можно вывести соотношения: 1. Для энергопотребления НР <РТУ <МР = 1 <2,6 <3,35 (3,16+0,19). 2. Для задержек НР <МР <РТУ = 1 <1,06 <1, 25. Второй эксперимент проведем с цепочкой из пяти элементов 2-И-НЕ для того, чтобы лучше оценить зависимость параметров МР от сложности подсхемы (рис. 2). Таблица 2 Результаты моделирования энергопотребления и задержек в цепочке из пяти ЛЭ Ток, мкА Длина импульса, нс Длина фронта, пс Длина среза, пс Напряжение, В Частота, МГц Тип резервирования 7,254 9,963 609 696 3 100 НР 2,002+23,823 9,988 685 758 3 100 МР 26,717 9,738 630 817 3 100 РТУ В схеме из 5 последовательно соединённых 2-И-НЕ элементов с различными типами отказоустойчивости наилучшим показателем по энергопотреблению, очевидно, обладают схемы без резервирования, а энергопотребление МР и РТУ оказывается сопоставимым: разница составила всего (~3 %). При этом задержка в РТУ оказалась ниже, чем в МР. Следовательно, РТУ оказывается эффективнее в схемах с небольшим количеством последовательно соединённых элементов. Если сравнить полученные результаты для синхронных и асинхронных схем, то можно отметить, что в синхронных схемах МР вносит меньшую задержку, чем ТР [16]. Это обусловлено тем, что в синхронных схемах нет необходимости индицировать окончание переходных процессов в мажоритарных элементах, что значительно упрощает схему резервирования. 2. Моделирование энергопотребления в глобально-асинхронных локально-синхронных схемах. Простейшим классом ГАЛС-схем являются схемы, предложенные в работах Д. Шапиро, с фильтрацией синхросигнала (англ. Pausible clock GALS design style) [17, 18] (рис. 3). В отечественной литературе предлагается метод разработки глобально-асинхронных локально-произвольных схем [19]. Для исследования работы ГАЛП-систем предлагается стенд с асинхронным и синхронным каналом. В рамках эксперимента проведем замеры частоты и энергопотребления в синхронном канале в зависимости от задержек в асинхронном канале. На входе схемы размещается С-элемент Маллера, который пропускает синхросигнал только в том случае, если схема готова обрабатывать новые данные, в этом случае синхронный канал должен обработать данные за один такт (рис. 4). Рис. 3. ГАЛС-система с фильтрацией локального синхросигнала Рис. 4. Модель для исследования энергопотребления в ГАЛС-схемах В результате частота работы синхронного канала подстраивается под частоту работы асинхронного канала, что приводит к снижению количества переключений в синхронной схеме и, как следствие, снижает протекающий ток (рис. 5). Рис. 5. Моделирование ГАЛС-системы в сравнении с синхронной системой: XMM2 - мультиметр синхронной подсхемы ГАЛС-системы, XMM5 - мультиметр синхронной системы, канал А осциллографа - выход ГАЛС-системы, канал Б осциллографа - выход синхронной системы Снижение энергопотребления тем выше, чем больше разница между базовой частотой работы (частота синхронной схемы) и частотой запросов, данных от внешней среды (часто самосинхронной схемы) (табл. 3). Таблица 3 Результаты измерения тока потребления модели ГАЛС-системы Частота, МГц Is, мкА Igals, мкА Is / Igals 50 5,06 5,37 0,88 100 10,23 8,20 1,24 150 15,39 7,01 2,19 200 20,36 7,41 2,75 Выводы. Основным направлением улучшения энергоэффективности вычислительной техники является исключение энергозатрат, не связанных с выполнением функций устройства, - токов утечки, паразитных переключений и т.д. ГАЛС-системы обеспечивают снижение энергопотребления относительно синхронных устройств, при этом способны обходить недостатки асинхронного подхода, связанные со сложностью индикации времени окончания переходных процессов в многоразрядных системах и при высокой параллельности вычислений [20]. Однако на сегодняшний день нет методов синтеза оптимальных ГАЛП-структур, в частности, не хватает моделей, на основе которых можно было бы делать выбор: в каком случае подсхема должна быть асинхронной, а в каком синхронной. Результаты моделирования позволяют сформировать модель энергозатраты/надежность для базовых логических элементов. Полученные модели будут использованы при разработке метода синтеза оптимальной ГАЛС-структуры по параметрам энергозатрат и надежности.

About the authors

A. N Kamenskikh

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 26

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.