РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ «Исследование композиционных микропрограммных устройств управления в базисе со сниженным энергопотреблением»
-
ВВЕДЕНИЕ
1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
3. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТОК
4.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЛОЖНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ
5.МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СОВРЕМЕННЫМИ ПОРТАТИВНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
-
5.1 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ РЕЖИМ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО ПОКОЛЕНИЯ ПРОЦЕССОРОВ
5.2 ДАЛЬНЕЙШИЕ ПУТИ УМЕНЬШЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ
5.3 СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ПОМОЩИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
5.4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПРИ ВЫБОРЕ ТИПА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЙ
ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие цифровых устройств в последнее время привело к росту требований к их производительности и функциональности. Перед разработчиками встала задача повышения энергоэффективности используемых решений. Сложность современных приложений и использование субмикронных технологий обуславливают необходимость снижения энергопотребления систем путём применения оптимальных решений в процессе проектирования. Совершенствование технологий проектирования и изготовления микросхем долгое время сопровождалось уменьшением характерных размеров транзисторов в соответствии с законом Мура, с одновременным ростом их быстродействия, что позволяло повысить эти характеристики. Однако рост степени интеграции и производительности микросхем приводит к увеличению как общей, так и удельной рассеиваемой мощности. Именно эти характеристики и начали играть все большую роль в ограничении предельных возможностей как отдельных микросхем, так и создаваемых на их основе устройств. Одной из важнейших задач при проектировании современных интегральных схем является уменьшение рассеиваемой мощности. Особенно важно решить эту проблему для портативных устройств, работающих от батарей, тогда уменьшение рассеиваемой мощности позволит увеличить время работы устройства без дополнительной подзарядки. Кроме того позволит снизить стоимость корпусировки и увеличить быстродействие за счет более низких рабочих температур. Также пониженное энергопотребление позволяет упростить разводку шин питания на кристалле, приводит к уменьшению шумов на шинах питания, проявления эффекта электромиграции и электромагнитного излучения.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
На всем протяжении своего существования активные полупроводниковые приборы практически не изменились. Вероятно, единственным их значительным изменением было – уменьшение минимальных размеров элементов в соответствии с законом Мура. Но со временем стал вопрос о том, что дальнейшее масштабирование и другие способы повышения рабочих характеристик кремниевых транзисторов могут привести к достижению физических пределов создаваемых структур. Например, уменьшение длины затвора и толщины затворного окисла транзисторов в схемах микропроцессоров, необходимое для увеличения их быстродействия, вызывает многие негативные эффекты, которые уже нельзя устранить с помощью существующих технологических методов [13]. Проблема энергопотребления актуальна и при проектировании микропроцессоров. Это связано с уменьшением проектных норм, увеличением рабочей частоты и повышением плотности элементов на кристалле вследствие усложнения схемотехнической составляющей. Так как проблемы существующие методы вскоре достигнут своего предела, встает проблема в разработке новых подходов для снижения энергопотребления микропрограммных устройств управления.2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью работы является исследование различных методов снижения энергопотребления в схемах управления и разработка новых подходов. Основные задачи исследования:-
1.Исследование структур различных устройств управления;
2.Исследование аппаратурных и программных методов влияния на их параметры;
3.Разработка новых подходов для снижения энергопотребления схем;
4.Тестирование различных методов в программах моделирования.
3. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТОК
Проблема снижения энергопотребления была всегда актуальна. На эту тему написано немало работ и создано достаточно разработок. В данной работе были изучены такие работы и кратко изложена их суть.3.1 Обзор международных источников
В мире давно немало ученых и сиследователей поднимали вопрос о снижении энергопотребления схем управления. Очень много работ на эту тему было написано американскими и европейскими учеными. Одной из полезнейших статей является работа Р. Айзека, в которой описывается будущее технологии КМОП [1]. Так же много полезной информации было получено из работы M. Педрана, где он описывает методы снижения энергопотребления различных схем [2]. В статье Д. Моррисси описывается зависимость мощности от производительности различных схему управления [3]. Так же К. Планте в своей работе описывает различные подходы к снижению энергопотребления [4]. Кроме этих работ, немаловажной является статься Ф.Викершейма, где он рассматривает различные методы проектирования для оптимизации энергопотребления в ПЛИС [5]. Российские ученые так же занимаются данной проблемой. Например, в работе А.А. Гармаша рассматриваются маломощные цифровые сложнофункциональные блоки КМОП СБИС [6]. А.Ю. Лобанова в своей статье описывает исследование методов снижения энергопотребления при проектировании микропроцессорных СБИС [7], а В. Ежов рассматривает пути снижения энергопотребления во встраиваемых приложениях на базе DSP и FPGA [8].3.2 Обзор национальных источников
Среди украинских источников не так много материала, но также есть несколько статей, рассматривающих данную проблему. Например, в работе Д.И. Лазоренко исследованы алгоритм объединения одномерных циклов исходного текста описания цифровых систем с целью снижения их энергопотребления [9].3.3 Обзор локальных источников
В Донецком национальном техническом университете данная тема также поднималась. В статье одной из статей А.А. Баркалова, Л.А. Титаренко и А.Н. Мирошкина были рассмотрены аппаратные методы снижения энергопотребления в композиционных микропрограммных схемах управления, базирующихся на ПЛИС [10]. Так же в другой статье тех же авторов исследована реализация композиционных микропрограммных устройств управления на FPGA-микросхемах [11]. Кроме этого, в работе А.А. Баркалова и А.В. Матвиенко, С.А. Цололо описывается оптимизация схемы автомата Мура на однородных ПЛИС [12].4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЛОЖНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ
Разработка комплексных мер снижения энергопотребления современных цифровых сверхбольших интегральных схем (СБИС), при сохранении других функциональных параметров, является одной из актуальных задач развития методологии проектирования электронной компонентной базы (ЭКБ). Данная задача становится еще более актуальной вследствие активного внедрения наноразмерных СБИС типа «система-на-кристалле» (СнК, англ. System on chip) и развитием методологии проектирования с повторным использованием сложно-функциональных (СФ) блоков. Существенным фактором, ограничивающим производительность таких устройств, становится именно энергопотребление. Наноразмерные СБИС типа СнК содержат процессорные ядра, память, а также большое число периферийных цифровых, цифро-аналоговых и аналоговых блоков. В зависимости от функционального назначения СнК, более 70 % энергопотребления приходится на цифровые СФ-блоки, такие как оперативно-запоминающие устройства (ОЗУ), арифметико-логические устройства (АЛУ — включающие в себя умножители, сумматоры, делители и др.), блоки управляющей логики, устройства синхронизации и другое [16]. Поэтому одной из важнейших задач, решаемых при проектировании СнК, является уменьшение энергопотребления цифровых СФ-блоков. На данный момент общей тенденцией снижения энергопотребления является развитие технологий, позволяющих снизить напряжение питания микросхем и токи утечек активных и паразитных элементов за счет применения технологий с несколькими пороговыми напряжениями, варьированием толщин подзатворного окисла транзисторов, применение нескольких источников напряжения питания и активных средств управления потребляемой мощностью. Ток утечки также может быть снижен за счет увеличения порогового напряжения тех транзисторов, к быстродействию которых не предъявляются высокие требования. Но это потребует существенного изменения всего процесса проектирования систем и, вероятно, перехода к разработке полностью заказных устройств. Снижение энергопотребления СБИС СнК в рамках одной технологической базы — сложная иерархическая задача, решаемая на всех уровнях маршрута проектирования СБИС. На системном уровне создаются, адаптируются и исследуются ключевые алгоритмы работы СБИС СнК, разрабатывается и верифицируется алгоритмическая модель системы. На архитектурном уровне определяется базовая структура СнК, разрабатываются спецификации на её проектирование целиком и на входящие в её состав СФ-блоки. Функциональный уровень включает в себя этапы маршрута проектирования СФ-блоков, основанные на использовании современных средств САПР. В зависимости от уровня проектирования, методы снижения энергопотребления делятся на алгоритмические (системный и архитектурный уровни), схемотехнические и топологические (функциональный уровень). Разработка СФ-блоков ведется на функциональном уровне по спецификациям, выработанным на системном и архитектурном уровнях. Системы автоматизированного проектирования (САПР) включают в себя широкий спектр программных продуктов и методов, нацеленных на снижение потребляемой мощности в проектируемых устройствах. Кроме того ведется разработка новых подходов к проектированию систем на СнК, новых алгоритмов и программных средств САПР, ориентированных на переход к наноразмерным топологическим нормам. На данный момент актуальной является задача увеличения быстродействия и сохранения площади, занимаемой схемой. В современные средства САПР заложены алгоритмы синтеза и верификации цифровых СФ-блоков и СБИС, реализующие маршрут проектирования. Маршрут включает в себя следующие этапы:-
1. Разработка функционального описания СФ-блока (RTL-описания) на языках HDL (VHDL, Verilog, System Verilog);
2. Моделирование и верификация разработанного функционального описания блока (средства САПР — NC-Sim MLS);
3. Логический синтез – процесс создания электрической (логической) схемы (списка цепей) на базе RTL-описания и библиотеки стандартных логических элементов (САПР — Synopsys Design Compiler, Cadence — Build Gates );
4. Вентильная верификация включает в себя вентильное моделирование (аналоговое моделирование) и статический временной анализ;
5. Физический синтез – процесс автоматического создания топологии блока на базе списка цепей и библиотеки стандартных логических элементов;
6. Верификация топологии – проверка топологии блока на соответствие технологическим правилам и исходному списку цепей. Функциональное моделирование топологии блока.
-
•разработки алгоритма функционирования и RTL-кода СБИС и СФ-блоков;
•разработки среды синтеза — библиотек стандартных логических элементов;
•настройки параметров инструментов синтеза исходя из требований к устройству.
5. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СОВРЕМЕННЫМИ ПОРТАТИВНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ
Бурное развитие коснулось также и сферы высоко-интегрированных приложений для портативных компьютеров, смартфонов и сотовых телефонов. Число их возможностей удваивается с каждым годом, идя в ногу с нетерпеливыми потребителями инновационных предложений. В таких условиях энергопотребление становится одним из ограничивающих факторов, сдерживающим дальнейшее развитие электронной техники. Современные дополнительные новшества, такие как подсветка цветных ЖК-дисплеев, аудио-подсистем, беспроводных коммуникаций требуют все больше и больше энергии, что напрямую сказывается на длительности работы портативных устройств. Повышающиеся требования к качеству передаваемого голоса, работе с данными сетей, аудио- и видеосигналами привели к необходимости увеличения ПЗУ и ОЗУ, а так же рабочей частоты процессора. Это оказало существенное влияние на потребляемую системой энергию. При создании портативной техники данный параметр стал одним из самых критичных. Перед разработчиками появляется новая задача, требующая кроме обеспечения устройства всей современной функциональностью, сделать его также достаточно экономичным с точки зрения потребления энергии, предоставляя возможность как можно дольше оставаться работоспособным. На рис. 1 показано увеличение числа возможностей различных портативных устройств и соответствующее ей уменьшение времени работы прибора.
Рисунок 1 — Рост динамической и статической мощности FPGA в зависимости от технологического уровня
(анимация: 7 кадров, 5 циклов повторения, 116 килобайт)5.1 Энергосберегающий режим предшествующего поколения процессоров
Возможность работы устройств в нескольких режимах является одним из способов решения проблемы энергопотребления. Это было реализовано в ряде процессоров предыдущих поколений. Например, некоторые процессоры могли быть запрограммированы на три режима работы (burst, sleep и doze). В портативных устройствах система может обработать задачи, требующиеся пользователю, и уйти в режим ожидания до следующего запроса. В течение этого периода только ЖК-дисплей остается активным, сам же процессор будет находиться в энергосберегающем режиме, то есть работать в малопотребляющем режиме doze. При запуске какого-либо приложения процессор будет переходить в режим burst, характеризующийся наиболее высокой рабочей частотой и, соответственно, энергопотреблением. Чтобы снизить энергопотребление необходимо уменьшить частоту и временя работы устройства в этом режиме. В случае, если аккумуляторная батарея достигает критического уровня запаса энергии, процессор запрограммирован на переход в режим sleep. Все его блоки становятся неактивными, кроме часов реального времени (RTC). Для поддержания правильной работы RTC ток, необходимый от батареи, должен быть не менее 1 мА. Наличие такого программно-реализуемого способа сохранения энергии было достаточно на раннем этапе развития портативных устройств. Но с расширением функциональности и постоянным повышением объема информации возросла необходимость еще больше снизить потребление энергии для использования всего потенциала портативного устройства.5.2 Дальнейшие пути уменьшения энергопотребления
На сегодняшний день адекватную оценку энергосбережения системы принято измерять в милливаттах на 1 мегагерц. Для конечного пользователя чем ниже значение этой характеристики, тем лучше, то есть либо больше тактовая частота, либо меньше энергопотребление. Для уменьшения энергопотребления ЖК-дисплеев разработчики стали внедрять внутреннюю «буферную» память изображения и независимый контроллер, освобождающий процессор от необходимости постоянно обновлять изображение на дисплее. Это приводит к уменьшению загруженности центрального процессора, передаче потоковой обработки данных различным периферийным контроллерам, решающим свои задачи за счет аппаратных средств.5.3 Сохранение энергии при помощи источника питания
Потери при работе микропроцессора в основном складываются из суммы потерь на переключениях. Обычно рассеиваемая мощность процессора пропорциональна квадрату напряжения ядра процессора:P ≈ C * (VDD2 * f),
где С — емкость коммутирующих элементов, VDD — напряжение питания ядра процессора, f — тактовая частота.
Для уменьшения потерь энергии существует два метода.
Наиболее совершенным является метод адаптивного отслеживания напряжения (adaptive voltage scaling, AVS). Принцип сохранения энергии заключается в наличии так называемого контроллера соотношения напряжения и частоты, который в случае необходимости изменяет частоту работы устройства в зависимости от необходимой в этот момент производительности. Схема адаптивного отслеживания является замкнутой, то есть имеет обратную связь, помогающую более точно регулировать основные параметры, определяющие энергосбережение. За счет более рационального использования ресурсов элемента питания можно сохранить энергию, пропорциональную отношению разницы квадратов питающих напряжений к квадрату напряжения питания ядра процессора:
Е ≈ ((V_DD^2– V_DD1^2)/(V_DD^2 )) * 100%,
где E — сохраненная энергия, VDD1 — напряжение питания ядра процессора с учетом уменьшения загруженности процессора.
Из полученного выражения делается вывод, что в процессе работы в зависимости от частоты процессора необходимо регулировать напряжение питания, тем самым добиваясь увеличения времени работы устройства.
Для второго метода используется схема динамического отслеживания напряжения (dynamic voltage scaling scheme, DVS), с помощью которой возможно уменьшить потери энергии путем регулирования ключевых параметров. Изменение частоты с напряжением достаточно сложный процесс, учитывая необходимость его временного согласования. Метод динамического отслеживания относится к так называемым незамкнутым схемам, что является ее недостатком. Отсутствие обратной связи не может гарантировать синхронное изменение напряжения в зависимости от требуемой частоты работы, что приводит к дополнительной потери энергии. Кроме того, учитывается разброс параметров источника питания. При помощи этого метода сохранение энергии возможно, но нельзя назвать его самым эффективным и простым.
Наличие замкнутого контура дает AVS-методу неоспоримое преимущество: петля обратной связи упрощает процесс контроля параметров для регулировки, отпадает необходимости отслеживать частотную таблицу, ее зависимость от напряжения, как в DVS-методе; AVS-схема стабилизирует напряжение питания в пределах ±5 %.
5.4 Рекомендации для выбора типа аккумуляторной батареи
Время функционирования портативных электронных систем сильно зависит от выбора батареи. Наиболее популярными являются батареи на основе лития (Li-Ion), которые в разряженном состоянии имеют напряжение 3,6 В, а в заряженном — 4,2 В. Существует также еще несколько электрохимических систем аккумуляторов, применяемых для питания различных портативных устройст:-
- литий-полимер (Li-Pol);
- никель-металлгидрид (NiMH);
- литий-диоксид марганца (Li-MnO2).