Shibaura Institute of Technology EDS Fair 2011 国際学会の技術トレンドを読み解く ~ 過去 現在 未来 ~ 低消費電力設計 芝浦工業大学工学部情報工学科 宇佐美公良
低消費電力技術の論文発表件数の推移 論文発表件数 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2007 2008 2009 2010 2011 年 ASP-DAC DAC ICCAD DATE 最近 5 年間を見ても コンスタントに新しい技術が発表されている 2
消費電力の正体 : ダイナミック電力とリーク電力 ダイナミック電力 入力 1 0 電源 V DD 充電電流 スイッチング時に充電 放電電流が流れて電力を消費 入力 1 0 電源 V DD 放電電流 負荷容量 +Q 負荷容量 P dyn = CV 2 fα C: 負荷容量 V: 電源電圧 f : 動作周波数 α : スイッチング確率 3
リーク電力 電源 V DD 入力 0 リーク電流 ON OFF S n + G p-well D n + スイッチングしていない 負荷容量 C CMOS 回路がスイッチングしていないときにも オフしている MOS トランジスタでリーク電流 ( もれ電流 ) が流れる 電力を消費 4
リークの主成分 G サブスレショルド リーク I sub S I gate D ゲート リーク I gate ジャンクション リーク I junc n + I sub n + p-well I junc サブスレショルド リークによる電力 P leak = exp( I 0 V Vth S / ln10 ) トランジスタのしきい値 Vth が大きく影響 5
代表的な低消費電力 EDA/CAD 技術 ダイナミック電力 P dyn = CV 2 fα 電力削減技術 無駄なスイッチングを減らすクロックゲーティング 電圧を制御するマルチ電源ドメイン DVFS P leak = リーク電力 exp( 電力削減技術 I 0 V Vth S / ln10 ) Vth を上手く使いこなす パワーゲーティング マルチ Vth 基板バイアス制御 ダイナミック電力見積り技術 リーク電力見積り技術 6
ASPDAC, DAC, ICCAD, DATE での発表状況 最近 5 年間 あまり発表されていない 数は少ないが 発表されている 活発に発表 されている クロックゲーティング マルチ電源ドメイン DVFS マルチ Vt パワーゲーティング 基板バイアス制御 ダイナミック電力見積り リーク電力見積り 7
パワーゲーティング パワースイッチ (PS) を使って電源を遮断し リークをカット 待機時に PS をオフ アクティブ時に PS をオンする Sleep ヘッダ スイッチ方式 V DD パワースイッチ ( 高 Vth) 仮想 V DD 線 フッタ スイッチ方式 V DD 低 Vth 論理ゲート 低 Vth 論理ゲート Sleep 仮想グランド線 パワースイッチ ( 高 Vth) [ 宇佐美, 電子情報通信学会 VLD 研究会 2011 年 5 月 ] 8
パワーゲーティング : 発表されている研究 最近 5 年間に発表されている研究テーマ ( 多い順に ) 1 パワーゲーティング適用の粒度 2 スリープからの復帰時に発生するグラウンド ノイズ低減 9
パワーゲーティングの適用粒度 粗粒度 実用化 コアレベル プロセッサコア DSP コア 3D engine 中粒度 ランタイムパワーゲーティング 研究段階 演算器 (FU) レベル ゲートクラスタレベル 整数 U, FPU ALU, 乗算器, 除算器 F/F 間の組合せ回路演算器内部 細粒度 ゲートレベル gate-by-gate Source: 宇佐美, VDEC デザイナーズフォーラム 2009. 10
パワーゲーティングの適用粒度 粗粒度 実用化 コアレベル 中粒度 細粒度 ランタイムパワーゲーティング 演算器 (FU) レベル ゲートクラスタレベル ゲートレベル [Park, ICCAD'10] [Seomun, DAC'10] [Xu, ICCAD'09] [Bolzani, DATE'09] [Xu, ICCAD'08] [Mistry, DATE'11] [Leinweber, DATE'08] 11
スリープからの復帰時に発生するノイズ 復帰時にラッシュカレント ( 突入電流 ) が流れ グラウンド ノイズを発生 チップGNDを共有する他の論理回路で誤動作の可能性 V DD V DD Sleep 1 0 PG を適用する論理回路 仮想 GND 線 Q PG 非適用の論理回路 チップ GND パワーゲーティングに共通する問題 パッケージ 12
発表されたグラウンド ノイズ低減技術 デカップリング キャパシタの入れ方の工夫 仮想 GND 線の電圧をセンサでモニタしながらウェイクアップ スケジューリングする [Xu, DAC'11] [Lee, ICCAD'09] ノイズ低減とウェイクアップ時間の最適化問題を解く [Calimera, DATE'08] [Lee, ICCAD'08] 13
それ以外に発表されたパワーゲーティング技術 パワースイッチのサイジング AVS( 電源電圧の適応制御 ) と組み合せでサイズを最適化 アクティブ状態での最大瞬時電流を考慮したサイジング パワースイッチの経年劣化 (NBTI) を考慮した制御方式 高位合成 [Sinker, ASPDAC'11] [Chiou, DAC'07] [Lee, ASPDAC'11] パワースイッチによる遅延増大を考慮したリソース割当て [Huang, ASPDAC'09] サブスレショルド回路を対象としたパワーゲーティング [Seok, DAC'07] 14
電力見積り ( 電力解析 ) 技術 最近 5 年間では フルチップ リーク見積り 技術の発表が多い 着目している点 : リークの成分 ジャンクションのトンネルリーク プロセスばらつき L, Tox のばらつき 空間的相関考慮の統計的手法 論理構造と空間的相関を考慮し平均値と分散を算出 平均値と分散だけでなく分布の tail も求める ランダムドーパントによる Vth シフトを考慮したトランジスタ幅 (W) 依存の統計的手法 動作中のリーク電力 (Active Leak) [Li, DAC 07] プロセスばらつきを考慮したダイナミック電力見積り技術 [Shen, ASPDAC 09] [Gao, DAC 10] [Lin, ASPDAC 07] [Heloue, DAC 07] [Gu, DAC 07] グリッチによる電力成分はゲートの遅延に依存 (= プロセスばらつき ) [Dinh, ASPDAC 10] 15
他の注目すべき低消費電力技術 PRAM + DRAM ハイブリッドによるメインメモリの消費エネルギー削減 [Dhiman, DAC 09] クロック スキュー スケジューリングによるリーク電力削減 [Ni, DAC 08] 燃料電池をバッテリーに使う場合の消費電流の最適制御 [Zhuo, DAC 07] 16
将来動向 プロセス微細化が進む中 新構造デバイスでの電力見積り 電力最適化 (FinFET, FD-SOI, ) パワーゲーティングの高度化 超低電圧設計での電力見積り 電力最適化 17
参考文献 宇佐美公良, " ゲーティング技術の最新動向 ", 2011 年 5 月電子情報通信学会 VLD 研究会, VLD2011-4, 信学技報 vol.111 No.40, pp.19-24. 18