Bir cihazın güç tüketimi, tasarım, geliştirme ve uygulama sürecinin her aşamasından etkilenir, ancak güç tasarrufu fırsatlarını belirlemek artık sadece donanımı daha verimli hale getirmekle ilgili olamaz.

Araçlar ve metodolojiler RTL'den uygulamaya kadar güç tasarrufu fırsatlarının çoğu için mevcuttur ve yarı iletken endüstrisinin bazı bölümleri bunları zaten kullanmaktadır. Her ikisi de olgun kabul edilir ve güç niyetini tanımlama standartları da öyledir.

Ek güç ve enerji tasarrufu için hala büyük fırsatlar var, ancak bunların çoğu, nesiller boyunca körü körüne kabul edilmiş sistem düzeyinde kararları ve birçok uygulama düğümünü sorgulamayı içeriyor. Bu kararlardan bazılarının yeniden gözden geçirilmesi gerekiyor çünkü bunlar daha büyük ve daha karmaşık tasarımların inşasını engelliyor.

Digital & Signoff Group ürün yönetimi direktörü Rob Knoth, "Karışımda üç atlı var - güç, enerji ve termal" diyor. Ritim. “Her zaman oradaydılar ve güç muhtemelen en öne çıkanı, ancak son birkaç yılda enerji ön plana çıktı. Şimdi termal şovun ortaya çıktığını görüyoruz. Hepsi ilginç çünkü onlara akışınızdaki belirli noktalarda belirli araçlarla saldırabilirsiniz."

Ve burada bir sorun yatıyor. Çözümler ve İş Geliştirmeden Sorumlu Başkan Yardımcısı Frank Schirrmeister, "Mimarın ikilemi, erken tahminler yapmak için düşük düzeyli bilgilere ihtiyaç duymanızdır" diyor. arter IP'si. “Bu ikilem hiçbir zaman çözülmedi ve muhtemelen benim iş hayatım boyunca da çözülmeyecek. Mimari kararları olabildiğince erken verebilmek için, bu kararları destekleyecek bir dizi bilgiye, bir dizi araca ve bir dizi yeteneğe ihtiyacımız var. Bu kararlara olabildiğince erken ihtiyacımız var ama aynı zamanda uygulama etkilerini de olabildiğince doğru bir şekilde yansıtmaları gerekiyor.”

Buna ek olarak, güç tek bir sayı olarak sunulamaz. Bazı insanlar pil ömrünü etkileyebileceğinden toplam enerji konusunda endişe duyarlar. Diğerleri, bir çip üzerinde çalışma sorunlarına neden olabileceğinden veya zaman içinde termal sorunlara yol açabilecek güçten dolayı en yüksek güçle daha fazla ilgilenir.

Analiz yapmak için, sistemin nasıl kullanılacağını tam olarak bilmeniz gerekir. Innergy Systems'in kurucusu ve CEO'su Ninad Huilgol, "100 farklı bloğa sahip bir SoC'ye sahip olduğunuzu hayal edin" diyor. "Hepsi birlikte etkileşiyorlar ve önceden nasıl bir güç yoğunluğu zirvesi üreteceklerini bilmiyorsunuz. Çalışan bir simülasyonunuz olduğunda, birdenbire bir güç yoğunluğu tepe noktası oluşturmak için hepsi birlikte etkileşime girer.”

Çeşitli pazarlar farklı yönlere odaklanıyor. Cadence'den Knoth, "Uç AI veya uç zeka, bir veri merkezi hiper ölçekleyici bilgi işlem tipi uygulamadan farklı endişelere ve farklı sorulara sahiptir" diyor. "Ancak her ikisi de teknolojinin, bazıları birbirini güçlendiren, bazıları ayrı olan belirli yönlerini zorlayacak. Edge, pil ömrü nedeniyle enerjinin belirli yönleriyle daha fazla ilgilenecek. Ve donanımda çalıştırdığınız şeye karşı yazılımda çalıştırdığınız şeyi düşünmek çok önemlidir. Çalıştırmaları ve size geri göndermeleri için baz istasyonunuza ne iletiyorsunuz? IoT endüstrisinin benzersiz bir şekilde liderlik etmeye ve yenilik yapmaya uygun olduğu bazı çok zor problemler var. Bu, tek lider oldukları anlamına gelmez. Devasa hiper ölçekli bilgi işlem veri merkezleri geliştiren kişiler, tamamen farklı bir sınıfa liderlik ediyor. Çoğu zaman, en çok baskı yapanlar onlar, çünkü bu hesaplamayı gerçekleştirmek için gereken muazzam miktardaki altyapı bütçesine bakıyorsunuz.”

RTL ve uygulama teknikleri
Birkaç yıldır RTL'ye ve uygulama seviyelerine güç tasarrufu teknikleri uygulanmıştır, ancak daha fazla güç ve enerji tasarrufu mümkündür. de uygulama seviyesinde, daha yeni teknolojiler, ele alınmadığı takdirde gücün boşa harcanmasına yol açacak sorunları ekliyor.

Ürün Pazarlama Direktörü Marc Swinnen, "Teknolojiler, güvenilir bir şekilde voltaj sağlamayı çok daha zorlaştırmak için işbirliği yaptı" diyor. Ansys. "Bir miktar voltaj düşüşü yaşayacaksınız ve çoğu zaman insanlar 100 milivolta kadar düşüş görebileceğimi söyleyerek bir sınır oluşturuyorlar. O zaman zamanlamam, her hücrenin çok daha yavaş olabileceğini varsaymak zorunda. Açıkçası, her hücre bu maksimum voltaj düşüşünü görmeyecek, bu nedenle gerçek voltaj düşüşünü ne kadar doğru bir şekilde modelleyebilirseniz, bu hatayı önlemek için güç dağıtım ağınızı o kadar doğru bir şekilde tasarlayabilir ve bu voltaj düşüş marjından geri adım atabilirsiniz. . Bu marjı düşürmeye çalışıyorsunuz ve bunun çok büyük bir etkisi olabilir.”

at RT seviyesi, saat kapısı ve güç kapısı uzun süredir kullanılıyor. Tanımlanan görevle ilişkili gücü ve enerjiyi optimize ederken, görevlerin gerçekleştirilen işlev için güç açısından optimum olup olmadığını belirlemeye yardımcı olacak hiçbir şey yapmazlar.

Knoth, "İdeal güç denen bir terimimiz var" diyor. “Boşa harcanan aktiviteyi belirleme girişimidir. Örneğin, saatin serbest çalıştığı bir bloğunuz varsa ve aslında sıfırlanıyorsa, o saati kapatmış olabilirsiniz. O bloğun içinde gerçekleşen geçişleri analiz edebilir, bu hiyerarşideki geçişlerden kaynaklanan gücü toplayabilir ve ardından bunları, gücün nerede boşa harcandığını gösteren bir raporda görüntüleyebiliriz. Bu metodolojiyi kullanarak, donanım mühendislerinin yaptıklarını bir tasarım metodolojisi perspektifinden iyileştirdiklerini gördük. Kullanılabilecek bir sürü daha derin ovma tekniği var.”

RTL'ye bakmak, diğer olası güç tasarruflarını sağlayabilir. Ansys'den Swinnen, "Güçlü bir sanatçı, işleri nasıl yaptığınıza bakarak RTL'nizde düzenlemeler önerecektir" diyor. "Bir işlevi bu şekilde uygulamış olabilirsiniz, ancak aynı işlevi farklı bir şekilde uygularsanız, güçten tasarruf edersiniz ve aynı işlevi elde edersiniz. RTL'yi otomatik olarak tarayacak ve RTL'yi daha güç verimli bir uygulamaya yükseltebileceği yerlerin her birini belirleyecek bir optimizasyon kitaplığı vardır. Tahminlere dayanarak size ne kadar güç tasarrufu sağlayacağını söyleyecek ve onaylarsanız bunları gerçekten uygulayacaktır.”

Erken tahminler
Çok az insan, değiş tokuşların ne kadar erken değerlendirilebileceğini, muhtemelen sahip olabilecekleri etkinin o kadar büyük olacağını iddia eder. Knoth, "Kapsamınız ne kadar genişse, masaya ne kadar çok taraf getirirseniz, o kadar çok geri adım atar ve olaya daha önce bakarsanız, o kadar büyük fırsatları görmeye başlarsınız" diyor. "Bunlar, ürettiğiniz tek parça parçayı daha iyi hale getirmenin ötesine geçen daha büyük trendler. Bu parçacığın, hidroelektrik santraline veya güneş çiftliğine bağlanan veri merkezindeki ürünün içine uyan gizmo'nun içine nasıl oturduğuna gerçekten bakmalısınız.

Sorun şu ki, yeterince doğru tahminler olmadan kötü kararlar da alınabilir. Schirrmeister, "Tasarımlar daha büyük ve daha karmaşık hale geldikçe, doğru tahminler yapmak giderek daha zor hale geldi" diyor. "Örneğin, silikon boyunca bir yolda kaç kayıt gerektiğini tahmin etmek için kat planlama bilgilerine ihtiyacınız var, çünkü sinyalleri büyük çip boyutlarına yaymak inanılmaz derecede zor ve bir saat döngüsünde yapılamaz. Bir NoC için, güç tüketimi ve çip üzerinde taşıdığınız ara bağlantı miktarı üzerinde etkisi olan kayıt sayısını optimize etmeye çalışıyoruz. Yolun ne kadar uzun olacağına dair erken tahminleri .lib'den NoC üretimine kadar açıklıyoruz. Daha sonra rafine edilmesi gerekecek mi? Kesinlikle. Sorunun çok boyutlu gerçekliği, özellikle dikey bağımlılıkların olduğu yerlerde işi çok zorlaştırıyor.”

Termal analiz yapabilmek için uzun zaman dilimleri dikkate alınmalı ve gerçekçi iş yüklerine bakılmalıdır. Bu büyük olasılıkla gerçek yazılımı çalıştırmak anlamına gelir. Knoth, "Sektörün çoğu, bir öykünücüye eşlenmiş RTL kodunu kullanıyor, bu platformda gerçek yazılım iş yüklerini çalıştırıyor ve güç tahmini yaptıkları vektörleri çıkarıyor" diyor. "Günde birden fazla yinelemeyle, donanımdaki güç özelliklerini daha verimli kullanmak için yazılımı ayarlayabilirler. Bir gecede, donanımda ince ayarlar yapabilirler. Artık, boşa harcanan gücün peşine düştüğünüz ve mümkün olan en uygun sistemi yarattığınızdan emin olduğunuz bu sistem düzeyinde ortak optimizasyona sahipsiniz.”

Endüstri, hem daha hızlı çalışabileceği hem de RTL hazır olmadan analiz yapılabileceği için RTL kullanmak yerine her zaman soyut modeller eklemenin yollarını aramıştır. Innergy'den Huilgol, "Yazılım yürütmenin güç tüketimini analiz etmek şimdiye kadar öykünme platformlarına havale edildi" diyor. "Yardımcı olabilecek tekniklerden biri, donanımın yazılım ortamlarında simüle edilebilecek güç modellerini oluşturmaktır. Bu modeller, yazılım çalışırken çeşitli donanım modüllerinin hem ortalama hem de anlık güç tüketimi hakkında doğru geri bildirim sağlayabilir. Bu, bant çıkışından önce güç için donanım ve yazılım birlikte optimizasyonunu mümkün kılıyor.”

Geçmişte donanım ve yazılımın işlevsel doğrulaması için benzer yaklaşımlar uygulandı ve şimdi bunu güce uygulamak için girişimlerde bulunuluyor. Huilgol, "Kara büyü icat etmiyoruz ve fizikle savaşamayız" diyor. "Ancak her zaman ayrıntılı güç simülasyonları çalıştırmanıza gerek yok. Blok düzeyinde küçük bir örnekleme alıyoruz, bunları bir araya getiriyoruz ve alt sistem düzeyinde, sistem düzeyinde, emülasyonda, yazılımda vb. çalıştırıyoruz. Gücün iki yönü vardır. Biri veri yolu, diğeri ise kontrol yolu. Esas olarak kontrol yolunu hesaba katarız, ancak veri yolu bağımlılıkları olduğunda, modellerimizde onları veri yolundan haberdar edecek bir kolaylık vardır. Bunlar, bir işlem modeli üzerinde çalışan istatistiksel güç modelleridir. Çözünürlüğü nasıl geliştirirsiniz? Daha küçük döngülere veya tek döngülere sahip olabilirsiniz. Ancak çözümünüz 15 döngü veya daha fazla, oldukça büyük işlemlerse, yakalanan bazı istatistiksel hatalar olacaktır.

Geçmişi yeniden düşünmek
Geçmişte, Moore Yasası ekstra kapılar, daha yüksek performans ve daha düşük güç kullanarak bir düğümden diğerine geçişi oldukça kolaylaştırıyordu. Bu, özellikle mevcut yazılımın yeni donanım üzerinde çalışmaya devam etmesini sağlamak için zaman içinde sürekliliğin önemli olduğu anlamına geliyordu.

Zamanla, bu, kurtulması zor olacak bazı verimsizliklere yol açtı. Knoth, "Geçmişte pek çok şey mümkün değildi" diyor. "Belki de bunun nedeni, işlem düğümünün uçta konuşlandırılacak olan yarı iletkendeki tüm hesaplamaya sığamamasıydı. Ama şimdi yapabilir. Belki de analizi doğru miktarda ve doğru doğrulukta yapacak araçlara sahip değildiniz veya paketleme teknolojisi mevcut değildi. Ancak ara sıra bir nefes almanız, geri adım atmanız, manzarayı tekrar ziyaret etmeniz ve 'Bu denklemi doğru bir şekilde optimize ettik mi yoksa elimizden gelenin en iyisini mi yaptık?' diye sormanız gerekiyor. Bazen bilim adamı şapkamızı takmamız ve kodladığımız temel ilkelerin bazılarını sorgulamaktan korkmamamız gerekiyor.”

Entegrasyonun karmaşıklığını dikkate almak önemlidir. Schirrmeister, "İki karmaşıklık düzeyi vardır - en üste çıkan uygulama karmaşıklığı ve ardından yarı iletken teknolojisinde aşağı inen uygulama karmaşıklığı," diyor Schirrmeister. "Bu, uğraştığımız transistörlerin sayısı. Uygulama karmaşıklığına sahip olduğunuz için, sahip olduğu kadar artan ve artmaya devam eden fonksiyon sayısı ile ortak hafıza, tutarlılık ve benzeri şeylerle uğraşmak zorundasınız. Önbelleğiniz yoksa, her zaman bir şeyleri hareket ettirmeniz gerekir. Önbellek tutarlılığı, yeni bir sorunu ortaya çıkaran bir soruna çözüm oldu.”

İşlemciler performans tarafından yönlendirildi. Catapult HLS ekibinin program direktörü Russell Klein, "Bir işlemciye bir şube tahmincisi veya spekülatif yürütme eklemek, devredeki kapıların sayısını artıracak ve böylece hem dinamik hem de statik güç tüketimini artıracaktır" diyor. Siemens EDA. "Fakat bu özellikler, işlemci üzerinde çalışan hesaplamanın performansını artırıyor. Dolayısıyla güç kesinlikle artar, ancak hesaplamayı gerçekleştirmek için gereken süre ile gücün çarpımı olan enerji artabilir veya azalabilir. Performans artışının güç artışına oranına bağlıdır. Diyelim ki güç %20 artarken performans yalnızca %10 artarsa, hesaplama için toplam enerji artar.”

Güç, enerji ve termal her zaman basit bir şekilde optimize edilemez. Lightelligence mühendislikten sorumlu başkan yardımcısı Maurice Steinman, "Mantıksız görünebilir, ancak performansı artırmak, bazı iş yükleri için ortalama enerji tüketimini azaltabilir," diyor. "Bu tür iş yükleri, işin daha hızlı tamamlanabilmesi durumunda uzun süreler boyunca derin güç tasarrufu durumlarının girilebildiği 'boşta yarış'tan yararlanabilir. Öngörülebilir (ancak %100'den az kullanım) bir bilgi işlem talep profilini, örneğin mevcut performansın %25'ini koruyan iş yüklerini düşünün. Bir yaklaşım, çalışma frekansını %25'e düşürebilir (ve buna bağlı olarak çalışma voltajını azaltabilir). Cihaz şimdi tamamen aktif kalacak, ancak düşük güçle. Başka bir yaklaşım, işi hızlı bir şekilde tamamlamaya çalışarak, %25 açık, %75 kapalı, sıfır veya sıfıra yakın enerji tüketimi gerektirebilir, böylece %25 saat hızında sürekli çalışmaya göre daha düşük ortalama güçle sonuçlanabilir. Kapanma süresini %75'in üzerine çıkarmak için hız aşırtma/aşırı voltaj uygulamak bile avantajlı olabilir."

Donanım ve yazılımı dengelemek
Sistem karmaşıklığı ve gücü ile ilgili en büyük dengeleme hilelerinden biri, donanım/yazılım sınırını oluşturmaktır. Siemens'ten Klein, "Yazılımda uygulanan herhangi bir işlev, donanımda uygulanan eşdeğer işlevden çok daha yavaş olacaktır" diyor. "Yazılımdaki hiçbir şey, tanım gereği, optimal değildir. Çok verimli bir işlemci üzerinde yüksek düzeyde optimize edilmiş bir yazılım, kötü bir donanım uygulamasının verimliliğine bile yaklaşamaz.”

Bölümleme kararları kolaylaşıyor, diyor Klein, "Yazılımda ne kalmalı, bir işlemcide ne yapılmalı ve o işlemci için bir sepet olan özel bir donanım hızlandırıcı yaratmanın daha mantıklı olanı — işte bu noktada çok büyük şeyler görmeye başlıyorsunuz." Sisteminizi nerede optimize ettiğinize bağlı olarak 100X, 1,000X tipi zaman veya güç azaltımı.”

Performans iyileştirmeleri zorlaştıkça, bu tür yaklaşımlar gerekli hale gelir. Klein, "Sonuç olarak, daha büyük işlemciler daha az enerji verimlidir, bu nedenle performans ihtiyaçlarınızı karşılamak için daha büyük bir işlemci almak, yalnızca gücü umursamıyorsanız mantıklıdır" diyor. "Doğru cevap, ağır yükü CPU'dan alıp ısmarlama bir hızlandırıcıya taşımaktır."

Bu yaklaşım artan bir popülerlik gördü. IP satış ve pazarlamadan sorumlu başkan yardımcısı Andy Jaros, "Ayrılmış donanım hızlandırıcıları ve yardımcı işlemciler, daha gelişmiş düğümlere geçerek azalan performans kazançları nedeniyle bir sistemin performansını artırabilir" diyor. Esnek Logix. "Ayrılmış hızlandırıcılar, karmaşık algoritmaları yürütmek için muazzam bilgi işlem döngüleri harcamaktan CPU'lar üzerindeki işleme yükünü hafifletir. Bu özel donanıma bağlı hızlandırıcılar için eFPGA'ların kullanılması, gerekli güç verimliliğini sağlarken, iş yükü değiştiğinde programlanabilirliği de korur."

Ne zaman uzmanlaşabilirseniz, kazanç için büyük fırsatlar vardır. Schirrmeister, "Bugün bir işlemciyi yönergeler ekleyerek özelleştirmek çok daha kolay hale geldi" diyor. "Bu talimat özelleştirmelerinin çoğu, düşük güç amacıyla yapılır. İşlemciye eklenen bir talimatın, belleğin yarısında kalmanıza izin verdiği durumlar gördüm. Bu, güç açısından çok büyük. Ancak bunu ıssız adada yaparken, yapmaya çalıştığınız şeyin genel olarak karmaşıklığı arttı.”

Veya bu işlevi tamamen donanıma taşıyabilirsiniz. Klein, "Diğer çözüm, hesaplama açısından karmaşık işlemleri ısmarlama hızlandırıcılara boşaltmak" diyor. “Üst düzey sentez (HLS) bunu yapmanın kolay yoludur. Hala donanım tasarımı, bu yüzden onu çalıştırmak için hala akıllı mühendislere sahip olmanız gerekiyor. Ancak HLS ile bir yazılım C veya C++ algoritmasından başlıyorsunuz. Yavaş ve hataya açık manuel bir süreç olan algoritmanın yorumu yoktur. Ve doğrulamayı çok daha kolaylaştıran, yazılımın orijinal işlevi biçiminde altın bir referansa kolayca ulaşılabilir."

Tüm bu seçenekler kolaylaşıyor. Schirrmeister, "Geçmişte, mimari düzeyde karar vermenin en büyük sorunu, bu kararı daha sonra projede yeniden değerlendirmeniz gerekmesiydi, ancak akışlar birbirine bağlı değildi" diyor. "Yapılandırılabilir işlemciler ve NoC gibi durumlar için akışlar birbirine bağlandı. Geriye giderseniz, araçları yeniden çalıştırmak zaman alır, ancak artık insanların mimari kararı manuel olarak doğrulaması gerekmez. Otomatikleştirilmiş üretim, daha fazla veri noktasından geçmenize olanak tanır.”

Sonuç
Güç, enerji veya termal sorunları tek başına optimize etmek kolay değildir. Ancak üç sorunun her birini ele alma ihtiyacı artıyor ve bunlar birbiriyle bağlantılı olsa da hangisinin veya nasıl optimize edilmesi gerektiğini belirlemek her zaman kolay değil. Sadece tüm sisteme bakarak kararlar alınabilir. Geçmişte modelleme, analiz ve tasarım akışları, özellikle donanım/yazılım engelini aştığında bunu daha da zorlaştırıyordu, ancak daha fazla araç ortaya çıkıyor. Hala kolay değil, ancak endüstri bilinci arttıkça ve daha fazla insan sorunu çözmek istediğinde, daha iyi araçlar ve akışlar kullanılabilir hale gelecek.

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• PlatoAiStream. Web3 Veri Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
• Adryenn Ashley ile Geleceği Basmak. Buradan Erişin.
• PREIPO® ile PRE-IPO Şirketlerinde Hisse Al ve Sat. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://semiengineering.com/holistic-power-reduction/