טכניקות תכנון המיועדות להפחתת ההספק של מערכות SoC להספק נמוך

Yan Vainter, Freescale

הצפיפות והמהירות של מעגלים משולבים (IC) גדלו באופן מעריכי במשך כמה עשורים, בעקבות מגמה המתוארת על ידי חוק Moore. אמנם מקובל לחשוב שמגמת שיפור מעריכית תיפסק, אך עדיין לא ברור לאיזו צפיפות ולאיזו מהירות בדיוק יגיעו המעגלים המשולבים עד נקודת הזמן שבה היא תיפסק. ההספק הפך להיות דאגה מהמעלה הראשונה עבור רוב התכנונים, לא רק בגלל כמות הפונקציונליות שאפשר לדחוס בשבב אחד, אלא גם בגלל הצפיפות ויכולת המחשוב של המעגלים המשולבים. על אף שכמות האנרגיה הנצרכת על ידי שער לוגי יחיד בטכנולוגיית CMOS ירדה באופן מעריכי, צריכת ההספק הכוללת של השבב עדיין עולה.
טכנולוגיית המוליכים למחצה משתפרת והולכת ברציפות במהלך שני העשורים שחלפו והובילה לממדים שקטנים והולכים כל הזמן באופן מתמיד, לצפיפות גבוהה יותר של המארז, למעגלים מהירים יותר ולצריכת הספק נמוכה יותר. כתוצאה מכמויות גדולות יותר של פונקציונליות ששולבו בשבב יחיד, נוצר צורך להקטין את צריכת ההספק הכוללת של המערכת על שבב (SoC), על מנת להימנע מהתופעה של שדות חשמליים גדולים ומחימום יתר של ההתקנים. מאמר זה עוסק במגוון של טכניקות להפחתת הספק שאפשר לאמץ אותן בתכנון, על מנת להקטין את הבעיות של צריכת ההספק.
בהמשך, נציג בהפשטה את התכנון ואת הטכניקות להפחתת צריכת ההספק:
רצף התכנון של מערכת קובע רמות שונות של הפשטה. באופן כללי, קיימות שלוש רמות שבהן אפשר להציג בהפשטה את התכנון עבור אופטימיזציה להספק ובאלו נדון בפירוט להלן.
רמת המערכת
רמת הארכיטקטורה
הרמה הטכנולוגית
טבלה 1 מציגה את רמות ההפשטה האלו ואת הטכניקות המתאימות להקטנת צריכת ההספק שאותן אפשר לאמץ בעת תכנון של מערכות על שבב להספק נמוך.

1. רמת המערכת
כפי שמקורן של החלטות התכנון היעילות ביותר הן רמות הארכיטקטורה והמערכת, כך גם תכנון קפדני ברמות אלו מפחית באופן משמעותי את צריכת ההספק. ברמת המערכת, אפשר להעביר למצב מושבת מודולים שאינם פעילים על מנת לחסוך בצריכת ההספק. עבור מעגלי לוגיקה הפועלים עם אות שעון, יש להשתמש בטכניקה של מיתוג אות השעון על מנת למנוע החלפה של מצבים לוגיים בבלוקים פונקציונליים שאינם נחוצים עבור פעולה מסוימת. כחלופה קיצונית עוד יותר, הגישה של לוגיקה א-סינכרונית מממשת מעגלים באופן כזה שלא נדרשת אספקה של אות שעון מסוים מבחוץ. בעוד ששתי טכניקות אלו משמשות בהיקפים שונים בתכנון של מעגלים משולבים, הטכניקה של מיתוג אות השעון, המוצגת להלן באיור 1, מספקת שיפור משמעותי בצריכת ההספק.

2. רמת הארכיטקטורה
ברמת הארכיטקטורה, אפשר להשתמש בחומרה מקבילית על מנת להפחית את החיבורים הפנימיים הכוללים ולאפשר הקטנה של מתח האספקה בלי לפגוע בתפוקת המערכת. כמו כן, אפשר להקטין למינימום את צריכת ההספק על ידי הפעלה של תוצר התכנון בתדירויות נמוכות יותר, על ידי שימוש בתכנון בארכיטקטורה מקבילית ועם צינור עיבוד נתונים תוך שימוש במהירויות התקן איטיות יותר.
מבנה קומבינטורי (combinatorial structure) מוצג באיור 2 והמימוש המתאים עם צינור עיבוד נתונים נתון באיור 3.
טכניקה נוספת שבה אפשר להשתמש ברמת הארכיטקטורה היא להשתמש בתכנון בהתקני FF בעלי סף כפול (dual edge) מאחר שאלו פועלים במחצית התדירות בהשוואה להתקני FF בעלי סף יחיד ובכך מספקים ירידה משמעותית בהספק שנצרך על ידי עץ חלוקת אות השעון. תכנון עם התקני FF בעלי סף כפול כמוצג באיור 4.

3. רמת הטכנולוגיה
ברמה הטכנולוגית אפשר להשתמש בכמה טכניקות של אופטימיזציה להספק ברמת השער, והן נידונות בהמשך:
3.1 הימנעות מפעילות שאינה נחוצה:
אחת הדרכים להימנע מפעילות שאינה נחוצה, היא שימוש במתודולוגיה של תכנון א-סינכרוני. CMOS היא טכנולוגיה טובה עבור הספק נמוך מאחר שהשערים מפזרים אנרגיה רק כאשר הם במצב של מיתוג. לרוע המזל, במעגל סינכרוני, רבים מבין השערים נמצאים במצב של מיתוג מפני שהם מחוברים לאות השעון ולא מפני שיש להם כניסות חדשות שאותן הם צריכים לעבד. על כן, מעגל סינכרוני מבזבז הספק כאשר בלוקים מסוימים אינם בשימוש, לדוגמה, יחידת נקודה צפה שפועלת כאשר מתבצעת אריתמטיקה של מספרים שלמים. לעומתו, מעגלים א-סינכרוניים מונעים באופן מעצם המבנה שלהם על ידי נתונים, והם פעילים רק כאשר הם מעבדים כניסות שהשתנו. מכאן, חלקים של מעגל א-סינכרוני שמקבל פחות נתונים יפעלו באופן אוטומטי בתדירות ממוצעת נמוכה יותר, ולכן יצרכו פחות הספק, אך החיסרון של מעגלים כאלו נעוץ בעובדה שגודל המעגל המתוכנן גדול יותר בהשוואה לתכנון של מעגלים סינכרוניים.
3.2 הקטנת הקיבול:
אפשר גם להתאים את ההספק באופטימיזציה בתכנונים שבהם יש חשיבות להספק על ידי הקטנה של הקיבול הכולל של השבב, שאפשר להגיע אליה על ידי הקטנת הגודל של השערים הדוחפים דחיפת יתר חוטים, ובכך להקטין את הקיבולים הקשורים לשערים אלו. אפשר להקטין עוד את הקיבול באמצעות שימוש בחומרים דיאלקטריים בעלי קבוע דיאלקטרי (k) נמוך ומסלולי נחושת (Cu) בעלי התנגדות וקיבול נמוכים.
3.3 הקטנת מתח האספקה:
אפשר להקטין את צריכת ההספק על ידי מימוש של תחומי הספק ו”איי” מתח בתכנון שבו יש למקם את הפונקציות החיוניות לביצועים בתחום של מתח גבוה יותר, בעוד שאת הפונקציות שאינן חיוניות יש להקצות לתחום של מתח נמוך יותר ובכך להקטין את דרישות ההספק הכוללות של התכנון.
3.4 שימוש בתאים בעלי מתחי סף מרובים:
אפשר להקטין את ההפסדים בהספק על ידי העלאת מתח הסף והקטנת מתח האספקה. עם זאת, שני שינויים אלו מאיטים באופן משמעותי את פעולת המעגל. לכן אפשר להשתמש באספקת מתחים כפולה במעגלים של הספק נמוך על מנת לספק מתח גבוה בחלקים החיוניים למהירות ומתחים נמוכים יותר בנתיבים שאינם חיוניים. כמו כן אפשר להשתמש בטרנזיסטורים (עם מתחי סף שונים) בחלקים שונים של המעגל, בניסיון להפחית עוד את צריכת ההספק ללא אובדן משמעותי בביצועים. בעבר נעשה שימוש במתח אספקה Vdd יחיד, במתח סף Vt יחיד וב-W סטנדרטי. לאחרונה משתמשים לעתים קרובות במתח אספקה Vdd כפול, במתח סף Vt כפול ובערך W נמוך יותר, ובעתיד יהיה צורך להשתמש בערכים רבים יותר של Vdd, Vt ושל W.
כמו כן אפשר להשתמש באותות תזמון נוספים בנתיבים שאינם חיוניים לצורך הפחתת צריכת ההספק עם התפישה של ריבוי מתחי סף Vt, ריבוי מתחי אספקה Vdd וריבוי ערכי W כפי שמוצג באיור 5 לעיל.

3.5 מיתוג מתח האספקה
שיטה נוספת שיכולה לשמש להקטנת צריכת ההספק היא מיתוג מתח האספקה, אשר בה משתמשים בטרנזיסטורי “שינה” על מנת להשבית בלוקים שאינם נמצאים בשימוש. מערכות שנמצאות במצב שינה לפרקי זמן ארוכים ו”מתעוררים” על מנת לבצע פעילות תקופתית ממוקמים, בדרך כלל, במקום מבודד כשהם מנטרים פעילות. על ידי כיבוי בלוק פונקציונלי שיש לו זליגה של זרם עד שהוא משמש, אפשר להקטין את זרם הזליגה באופן משמעותי ובכך גם את הספק הזליגה.

3.6 יצירת ממתח בור-מצע
אפשר להקטין למינימום הספק הנגרם מזרם זליגה באמצעות טכניקה של יצירת ממתח בור-מצע (well-substrate) הידועה גם בשם יצירת ממתח הפוך, מאחר שזרם הזליגה הוא פונקציה של מתח הסף Vt של טרנזיסטור. בטרנזיסטורי Pmos, גוף הטרנזיסטור מקבל ממתח במתח שהוא גבוה יותר ממתח האספקה Vdd, ובטרנזיסטורי Nmos, גוף הטרנזיסטור מחובר למתח שהוא נמוך ממתח ההארקה Vss כך שיצירה של ממתח הפוך בטרנזיסטורי Pmos ו/או בטרנזיסטורי Nmos מגדילה את מתח הסף Vt, ומכאן שהיא מקטינה את ההספק הנגרם מזרם הזליגה.
3.7 שימוש בהתקני תחמוצת עבה
אפשר להקטין למינימום את ההספק הנגרם מזרם זליגה על ידי שימוש בהתקני תחמוצת עבה (thick oxide) מאחר שזרם הזליגה הוא פונקציה של מתח הסף Vt של הטרנזיסטור, ומתח הסף יחסית ישר לעובי התחמוצת. על כן, הגדלת העובי של התחמוצת מגדילה את מתח הסף Vt ומכאן שהיא מקטינה את את זרם הזליגה.

מסקנות וכיוונים עתידיים:
גרדיאנט החום על פני השבב עלול לגרום למאמצים מכניים שיובילו לתקלה בשלב מוקדם ויגרמו להרעה באמינות של
מערכות העל שבב אשר תוביל למיקוד תשומת לב רבה יותר לטכניקות תכנון של הספק נמוך. מתכננים של מערכות יכולים להקטין את צריכת האנרגיה בכמה רמות של הפשטה, כפי שמתואר לעיל. עם זאת, לצורך כך נדרש ביצוע של כמה פשרות. טכניקות אלו מובילות לעתים לירידה בביצועים שאפשר לשפר אותם רק על ידי הוספת חומרה. מעבר לכך, מערכות בעלות נצילות אנרגיה גבוהה עלולות להיות מורכבות יותר. אין אפשרות לאמץ את כל הטכניקות בתכנון של מערכת SoC יחידה, מאחר שתמיד קיימת פשרה בין הביצועים לבין צריכת ההספק, ולכן, יש לבחור בהן על פי דרישות התכנון.
אז…למה אנו יכולים לצפות שיביא לנו השימוש בהספק הנמוך?
מוצרים ניידים.