Softwaregestuurde vermogensanalyse

Macht heeft de neiging te kosten; hoge stroomkosten zeer. Deze nogal geforceerde aanpassing van het beroemde citaat van Lord Acton legt twee belangrijke aspecten vast van het ontwerp van halfgeleiders en het stroomverbruik. Kijkend naar het gemiddelde stroomverbruik in de loop van de tijd, is het duidelijk dat een chip met een hoog stroomverbruik hoge kosten met zich meebrengt. Bij draagbare apparaten betekent meer vermogen ofwel grotere en duurdere batterijen, ofwel een kortere levensduur van de batterij. Verder betekent meer vermogen een geavanceerdere en duurdere verpakking om de resulterende warmte af te voeren. Deze drie factoren hebben ook een rimpeleffect in termen van productprijzen, winstmarges en kans op succes in de markt.

Bezorgdheid over het stroomverbruik gaat veel verder dan draagbare apparaten die ten minste een deel van de tijd op batterijen werken. Apparaten met wandvoeding brengen ook extra kosten met zich mee op het gebied van verpakking, voedingen en stroomdistributiesystemen. Dezelfde problemen strekken zich uit tot serverfarms, met hun racks of compute-servers, enorme gegevensopslagarrays en netwerkswitches. De operationele kosten voor serverfarms zijn enorm; studies hebben aangetoond dat de energierekening hoger is dan de prijs van de hardware zelf gedurende de levensduur van elke server. Serverfarms kunnen zich in de buurt van waterkrachtcentrales of enorme zonnepanelen bevinden in een poging om aan hun hoge eisen te voldoen. Sommige locaties moeten ook voldoen aan "groene wetten" die het stroomverbruik van de server reguleren.

Aan de bovenkant kan overmatig stroomverbruik vloeistofkoelsystemen vereisen die enorme infrastructuur en bijbehorende kosten met zich meebrengen. Om al deze redenen is het verminderen van het gemiddelde stroomverbruik een doel in bijna alle halfgeleiderprojecten, ongeacht de eindmarkt. Bij het overwegen van piekvermogen kan reductie een kritieke behoefte zijn in plaats van alleen een doel. Sommige chips zijn zo ontworpen dat slechts bepaalde porties tegelijkertijd kunnen draaien. In dergelijke gevallen kan het inschakelen van alle functionaliteit meer stroom vereisen dan het apparaat aankan, wat resulteert in thermische storing en permanente schade.

Uitdagingen van vermogensanalyse

Gezien alle motivatie om het stroomverbruik te beperken, heeft de industrie een breed scala aan energiezuinige ontwerptechnieken ontwikkeld. Deze variëren van circuitaanpassingen op lay-outniveau tot applicatiebewust, softwaregebaseerd energiebeheer op systeemniveau. Welke technieken ook worden gebruikt, het is zeer waardevol om hun impact nauwkeurig te kunnen beoordelen door zowel het gemiddelde als het piekstroomverbruik te schatten tijdens het ontwerp en de verificatie van de chip in ontwikkeling. Het is onaanvaardbaar om te wachten tot na fabricage om te ontdekken dat het gemiddelde vermogen te hoog is voor een levensvatbaar product of dat het piekvermogen de chip vernietigt. Effectieve pre-silicium vermogensanalyse, bij voorkeur in meerdere stadia van het project, is vereist.

De traditionele benadering van vermogensanalyse in de elektronische ontwerp-automatiseringsindustrie is gebaseerd op simulatie. Functionele verificatie van de chip omvat het ontwikkelen van een testbank en het schrijven of genereren van een reeks tests die elke functie of elk kenmerk van het chipontwerp controleren. Het is relatief eenvoudig om de hele testsuite, of misschien slechts een representatief deel, te simuleren en de resultaten in een traditionele power signoff-tool in te voeren. Aangezien het meeste stroomverbruik alleen optreedt wanneer circuits van status wisselen, kan de simulator een schakelactiviteitsbestand leveren aan een power signoff-tool. In combinatie met de vermogenskenmerken in de bibliotheek voor de doeltechnologie kan de tool een redelijk nauwkeurige schatting geven van zowel het gemiddelde als het piekvermogen.

Deze nauwkeurigheid is echter geheel relatief aan de tests die in simulatie worden uitgevoerd. In de praktijk is geen enkele verificatietestsuite representatief voor de werking van de chip met draaiende productiesoftware. Tests die zijn ontworpen voor functionele verificatie, zijn bedoeld om alleen die delen van het ontwerp te stimuleren die nodig zijn voor de beoogde functie. Beperkte willekeurige testbanken kunnen meer parallelle activiteit genereren, maar het is nog steeds onwaarschijnlijk dat ze het gebruik in de echte wereld modelleren. Echt nauwkeurige energieanalyse kan alleen worden uitgevoerd door gebruik te maken van de schakelactiviteit van echte softwareworkloads, inclusief gebruikersapplicaties die bovenop een besturingssysteem (OS) worden uitgevoerd.

Het duurt meestal een paar miljard klokcycli om een ​​besturingssysteem op te starten, systeemservices te starten en applicaties uit te voeren. Dit zou volledig onpraktisch zijn om in simulatie te draaien. Daarentegen voeren emulators routinematig miljarden cycli uit, van het opstarten van het besturingssysteem tot meerdere gebruikersapplicaties die parallel lopen. Emulatie oefent precies het soort echte software-workloads uit dat nodig is om een ​​zeer nauwkeurige energieanalyse uit te voeren. De uitdaging is dat power signoff-tools zijn ontworpen om duizenden cycli aan te kunnen, niet miljoenen en zeker niet miljarden. Er is een nieuwe methode nodig om een ​​paar gebieden met hoge activiteit in de emulatierun te identificeren en te focussen op het gebruik van alleen deze vensters voor vermogensanalyse (Figuur 1).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1. Vermogensanalyse met behulp van elektrische vensters (Bron:Synopsys)

Overstappen naar softwaregestuurde vermogensanalyse

De eerste vereiste voor de stroom die in figuur 1 wordt getoond, is dat de emulator een profiel produceert dat laat zien welke delen van het ontwerp in de loop van de tijd actief zijn. Dit activiteitenprofiel kan worden bekeken als een grafiek in een golfvormviewer of een ander hardwarefoutopsporingsprogramma. Aangezien stroomafname niet kan worden uitgevoerd op miljarden cycli, is de volgende stap dat gebruikers het activiteitenprofiel gebruiken om een ​​of meer stroomkritieke vensters te identificeren waarin de activiteit het hoogst is en het stroomverbruik waarschijnlijk ook het hoogst. Als elk van deze vensters zich in de miljoenen cycli bevindt, kan het worden gebruikt voor de volgende fase van vermogensanalyse. Als maatstaf zou de emulator in staat moeten zijn om een ​​activiteitenprofiel te produceren voor een miljard cycli aan softwarebelasting in drie uur.