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「電力最適化 」とは何ですか?

ロブ・ファン・ブロムステイン

2023年8月15日 / 読了時間:5分

定義

電力最適化 これは、デジタル電子回路設計の機能性、安全性、およびセキュリティを維持しつつ、消費電力を最適なレベルまで低減するプロセスである。このプロセスでは、最適な消費電力レベルを実現するために、電子設計自動化(EDA)ツールや手法が用いられる。最適な消費電力レベルを見出すには、性能と面積のトレードオフについて綿密な分析が必要となる。電力最適化 は、静的電力と動的電力に分類される。 動的消費電力にはスイッチング電力と短絡電力が含まれ、一方、静的消費電力とはリーク電流、すなわちデバイスが非動作状態にあるときにトランジスタを流れる電流を指します。

電力最適化 に関連する課題にはどのようなものがありますか?

今日の設計における高速化と複雑化の進展に伴い、デバイスの消費電力は大幅に増加しています。この課題に加え、アンストロン単位での微細化が進んでいます。このような複雑さのため、手動による電力最適化 では処理が遅すぎる上、エラーが発生する可能性も極めて高くなります。

 

リーク

90~20ナノメートルの平面プロセスジオメトリの範囲において、リーク電力が設計チームにとって最大の懸念事項でした。これは、動的電力がリーク電力(85~95%)に比べてごくわずか(10~15%)であったためです。 業界が16~14ナノメートルのFinFET プロセスに移行すると、デバイスのリーク電力の制御性が向上した。FinFETは、サブスレート 上に構築されたマルチゲートデバイスであり、ゲートがチャネルの2面、3面、または4面に配置されるか、あるいはチャネルを囲むように配置され、ダブルゲートの3D構造を形成している。しかし、このマルチゲート構造では、デバイスがスイッチングするたびに消費電力が増加し、動的電力に影響を及ぼしていた。

 

IR-Drop

プロセスの微細化に伴い、配線はより細く、より密接に配置されるようになり、レイアウトの高密度化が進んでいます。こうした状況下では、IRドロップが重要な要因となります。IRドロップ(電圧降下 とも呼ばれる)とは、電流が抵抗のある経路を流れる際に電圧が低下する現象を指します。ロジックセルに供給される電圧が低下して遅延時間が変化すると、セットアップ時間やホールド時間の要件を満たせなくなる可能性があります。また、オンチップの電源/グランドグリッドからの電源ネットに起因するノイズが発生することもあります。

 

ワットあたりの性能

ワットあたりの性能は、設計品質において最優先事項の一つとして浮上しており、これにより技術の重点や設計電力最適化 の手法に変化が生じています。可変動作電圧は、ワットあたりの性能を最適化する上で大きな可能性を秘めていますが、探索する を実現するためには、サインオフレベルの精度と効率を兼ね備えた手法が必要となります。


AIチップ 開発のための最適化

AIチップ 開発において、アーキテクチャから実装に至るまで、電力効率を高めるための戦略をご紹介します。


電力管理

低消費電力設計 技術に必要な電力要件は、IEEE規格1801「Unified Power Format(UPF)」を通じて定義されます。UPFファイルの作成は手作業による煩雑なプロセスであり、SoC設計フローにおいて、ある抽象化レベルから別のレベルへ、あるいはあるツールから別のツールへと、必ずしもシームレスに移行できるとは限りません。UPFの設計と最適化には、絶えず進化し続けるこの規格に対する深い理解が求められます。

 

電力解析

デバイスは、特定の消費電力範囲内で動作するように設計されています。消費電力の目標値が達成されていることを検証するための正確な消費電力解析は、困難を伴います。従来の設計フローでは、正確な消費電力解析が行われるのが遅すぎるため、消費電力の目標値が達成されていない場合でも設計変更を行う余裕がありません。その結果、消費電力の仕様を満たさないまま予定通りにテープアウトするか、消費電力の目標値を達成するためにスケジュールが遅延するかのいずれかになります。どちらの状況も、多大なコストの発生や市場投入時期の遅れを招く可能性があります。

 

検証

32nm以下の製品において、先進的な低消費電力設計(アナログおよびデジタル双方)の消費電力に配慮した検証は、最重要課題の一つとなっています。検証カバレッジを把握することは、低消費電力設計における消費電力の最適化に向けた大きな障壁となっています。

課題説明影響
リーク平面型ノード(90~20nm)ではリーク電流が大きかったが、FinFET ノード(16~14nm)ではこれが軽減された静的消費電力が大きい。FinFETでは改善されたが、動的消費電力は……
IR-Drop電圧降下 高密度レイアウトにおける抵抗のためタイミング違反、騒音の増加
ワットあたりの性能主要な品質指標。可変電圧は有効だが、複雑である正確かつ効率的な手法が必要である
電力管理手作業によるUPFの設計は手間がかかり、規模の拡大が困難です時間がかかり、ミスが起きやすい
電力解析フローの後半で発生する。電力仕様の見落とし、あるいは遅延が発生している。コストの高さ、市場投入までの遅延
検証32nm以下では、電力に配慮した徹底的な検証を行うことは困難であるバグのリスク、カバレッジの欠落

最適な出力を実現するにはどうすればよいでしょうか?

低消費電力設計は、単一のステップで完了するものではありません。これは、動的および静的な消費電力の総量を低減することを目的とした、一連の手法や方法論から構成されています。最適な消費電力を実現するための設計は、チップ設計プロセス全体に織り込まれており、通常、設計および検証の方法論には以下の5つの主要なフェーズがあります:

  1. 静的電力の検証と探索
  2. 動的電力検証および解析
  3. ソフトウェア主導の電力解析
  4. 電力の導入
  5. サインオフ
位相目的
静的電力検証リーク電力を分析し、低減する
動的電力検証スイッチング電力および短絡電力の解析
ソフトウェア主導の電力解析ソフトウェア・ワークロードにおける消費電力を分析する
電力の導入低消費電力設計手法を導入する
サインオフ電力目標の最終確認および承認

シノプシス アーキテクチャからサインオフに至るまで、ソフトウェア主導の低消費電力設計探索、解析、最適化を実現します。このソリューションは、設計フローの各段階において業界をリードする製品を中核として構築されています:

シノプシスこのソリューションにより、SoC設計者は、PPA目標を達成しつつ、設計フローの各段階における消費電力低減の機会を最大限に活用することで、最適なエネルギー効率を実現できます。

ツール目的設計段階
Platform Architect™初期段階における性能と電力のトレードオフRTL以前のアーキテクチャ
ZeBu® Empowerソフトウェアワークロード向けの電力エミュレーションエミュレーション
SpyGlass® Power迅速な対応によるRTL電力解析RTL開発
PrimePower RTL + アーキテクト正確なRTL電力解析RTLの成熟
Fusion Compiler™RTLからGDSIIへの実装、電力検証フィジカル・インプリメンテーション
IC Compiler II™配置・配線ソリューションフィジカル・インプリメンテーション
シノプシス TestMAX™電力効率に最適化されたテストパターン生成テスト
Verdi UPF ArchitectUPFの自動生成電力管理
VC Replayシミュレーションデータを用いた初期の電力解析シミュレーション/解析
VCS NLP +VC LP低消費電力での静的ルールチェック設計検証

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