Оптимизация мощности токов утечки без изменения логического описания микросхемы А.О. Власов Научный Исследовательский Институт Системных Исследований РАН, Москва Москва 2012 Содержание • • • • • • Введение Выбор библиотеки стандартных ячеек Выбор компилятора блоков памяти Оптимальное использование выбранного набора библиотечных элементов Подбор коэффициента использования площади при планировании топологии блока Заключение НИИСИ РАН 2 Введение • • • Проектирование СБИС на основе субмикронных технологий • Мощность так же важна, как и быстродействие • Вклад статической мощности токов утечек значителен Снижение статической мощности • Отключение питания неактивных блоков • Эффективное использование технологических библиотек и САПР Тестовый запуск СнК (развитие КОМДИВ64) на 65нм. Снижение статической мощности в рамках маршрута проектирования НИИСИ РАН 3 Выбор библиотек ст. ячеек 1/3 • • • Доступные библиотеки • S10T – первоначально доступная. • S9T – более компактный вариант • D10T – аналог первой другой фирмы • D7T – компактный вариант предыдущей Все библиотеки реализованы LVT, RVT, HVT Оценка быстродействия библиотек: • LVT-вариант • Блок int_mult_div НИИСИ РАН 4 Выбор библиотек ст. ячеек 2/3 • Относительное сравнение параметров вариантов реализации блока int_mult_div Превышение Изменение Библиотеки частоты ТЗ площадь • Сокращение статическй мощности S10T 18% 0% 0% S9T 6% -1% -21% D7T -4% -3% -37% D10T 16% 3% -32% Результаты: • Для S9T и D7T библиотек ожидаемого сокращения площади не произошло • Реализация на D10T предпочтительна НИИСИ РАН 5 Выбор библиотек ст. ячеек 3/3 • Суммируя, можно сделать ряд важных выводов • Даже для одной технологии от выбора библиотеки зависит качество всего проекта. • Библиотеки дают ожидаемые результаты, если используются в проектах, где их преимущества приоритетно востребованы. • Только реализация пробного блока позволяет оценить эффективность использования библиотек в контексте конкретного проекта. НИИСИ РАН 6 Выбор компилятора блоков памяти (КБП) • • Вначале был доступен лишь один компилятор – КБП1. Однако впоследствии появилась альтернатива – КБП2 Сравнение КБП2 с КБП1. Относительное изменение параметров БП БП • Минимальная Изменение частота площадь Сокращение статическй мощности Кол-во БП в проекте 1 port SRAM 1024x128 -12% -28% -36% 45,7% 2 port SRAM 1024x4 9% -12% 5% 1,6% 1 port RF 256x68 2% -6% 11% 2,7% 2 port RF 512x35 1% -9% -48% 50,0% КБП2 – значительный выигрыш по площади и статической мощности для самых распространённых в проекте типов памяти. НИИСИ РАН 7 Оптимальное использование выбранного набора библиотечных элементов 1/3 • Параметры вариантов реализации cpu на ячейках типа LVT, RVT и HVT Период функционирования Параметры реализаций • • 1,43 Библиотеки ячеек LVT RVT HVT Стат. мощность 1 0,65 0,58 Дин. мощность 1 0,98 1,03 Площадь ячеек 1 1,02 1,04 Миним. период 1 1,25 1,43 Высокоскоростной проекта реализуется на LVT-библиотеках стандартных ячеек Некритичные цепи – оптимизация HVT-ячейками НИИСИ РАН 8 Оптимальное использование выбранного набора библиотечных элементов 2/3 • • Исходный проект: LVT реализация (D10T) cpu Стратегии снижения статической мощности • Оптимизация HVT-ячейками • Памяти сгенерированные КБП2 • Оптимизация HVT-ячейками + БП КБП2 • Анализ блоков cpu для типа реализации Блоки cpu Относительное быстродействие Площадь макроблоков, % Набор ячеек для реализации cpu_core 0,90 67 LVT + HVT L2 1,00 93 LVT fpu 0,85 14 HVT int_mult_div 0,70 0 HVT НИИСИ РАН 9 Оптимальное использование выбранного набора библиотечных элементов 3/3 • Сравнение параметров оптимизированных схем cpu Исходный опт. HVT проект Быстродействие 1,00 1,03 Площадь ячеек 1,00 1,00 Мощность токов утечки 1,00 0,77 Ячейки HVT, % 0 67 CPU • КБП2 КБП2+HVT 1,04 1,01 0,76 0 1,06 1,01 0,53 67 опт. блоков КБП2+HVT 1,03 1,02 0,48 79 Сокращение токов утечки –52% при снижении быстродействия на 3% и увеличении площади на 2% НИИСИ РАН 10 Подбор коэффициента использования площади при планировании топологии блока • Влияние КИ на параметры топологии cpu Начальный КИ cpu • • • 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Быстродействие -9% 1% 0% -3% -18% -12% Мощность токов утечки 12% 2% 0% -4% -12% -18% Прирост площади ячеек 67% 25% 0% -17% -29% -38% 0,7 ≥ КИ ≥ 0,5 Увеличение КИ обеспечит снижение мощности токов утечки и более эффективное использование площади микросхемы Снижение КИ улучшает трассируемость НИИСИ РАН 11 Заключение • • • Рассмотрены подходы к снижению мощности токов утечки без влияния на логическую структуру микросхемы Выбранные шаги оптимизации были встроены в маршрут проектирования всего проекта Применение описанных подходов снизило долю статической мощности c 30% до 14%. НИИСИ РАН 12