Geum.ru

Методы оптимизации энергопотребления в микроэлектронных системах

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Общая характеристика работы
Краткое содержание работы
Основные результаты работы
Основные публикации по диссертации в других изданиях.
Подобный материал:
  1   2   3   4

На правах рукописи




КОВАЛЕВ Андрей Владимирович


МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ


Специальности 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

05.13.12 – Системы автоматизации проектирования


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Таганрог – 2009

Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г.Таганроге.


Научный КОНСУЛЬТАНТ  доктор технических наук, профессор

КОНОПЛЕВ Борис Георгиевич (ТТИ

ЮФУ, г.Таганрог)


Официальные оппоненты  доктор технических наук, профессор

РУФИЦКИЙ Михаил Всеволодович

(ВлГУ, г.Владимир);

доктор технических наук, профессор

МУРАТОВ Александр Васильевич

(ВГТУ, г.Воронеж);

доктор технических наук, профессор

ЛЕБЕДЕВ Борис Константинович (ТТИ

ЮФУ, г.Таганрог).


ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ  Московский государственный институт электронной техники (технический университет), г.Москва


Защита состоится “17” декабря 2009 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Южном федеральном университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп.Е, ауд. Е-306.


С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного федерального университета.


Автореферат разослан “____”_________________2009 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор И. Б. Старченко


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы

В ходе развития информационного общества и технологий в повседневную жизнь все больше проникают портативные носимые электронные устройства. К этому классу устройств можно отнести устройства мобильной связи и глобальной навигации, ноутбуки, карманные компьютеры, мультимедийные аксессуары, беспроводные датчики состояния здоровья спортсменов и многие другие.

Число разрабатываемых приложений удваивается с каждым годом, стремясь удовлетворить запросы потребителей инновационных решений. Различные технические новшества требуют все больше и больше энергии, что напрямую сказывается на длительности автономной работы портативных устройств. Высокие требования к качеству передаваемого голоса, скорости обработки и передачи аудио- и видеосигналов привели к необходимости увеличения объемов памяти, а также рабочей частоты процессора. Все это, конечно же, отражается на потребляемой энергии, а ее уровень становится одним из самых важных факторов при создании портативной электронной техники. В частности, в некоторых современных приложениях требования к эффективности энергопотребления становятся жизнеопределяющими. Ограниченные возможности энергозатрат приводят, особенно в случае использования радиосредств, к необходимости более тесного, локального взаимодействия между элементарными модулями сети и реализации стратегии согласованных групповых действий для выполнения поставленной задачи. Другими словами, в сенсорных сетях, для массового использования, элементарные модули должны быть очень маленькими и очень дешёвыми. Так, одной из целей разработчиков на ближайшие годы ставится достижение габаритов элементарного модуля порядка одного кубического миллиметра, энергопотребления менее милливатта и стоимости менее одного доллара.

Очевидны тенденции к непрерывному росту сложности данных устройств и, соответственно, повышению потребностей в обеспечении их достаточным количеством энергии. Удовлетворение современных требований к компактности, надежности и продолжительности непрерывной работы напрямую зависит от уровня энергопотребления электронных компонентов описанного класса устройств.

Учитывая непрерывное, хотя и относительно медленное, усовершенствование технологий создания энергоемких элементов питания, а также, с другой стороны, увеличение энергетических потребностей сложных портативных устройств можно предположить, что данные устройства всегда будут иметь конечное время непрерывной работы, которое необходимо будет продлять за счет различных методов оптимизации энергопотребления. Также с уменьшением габаритов должны уменьшаться и источники питания (миниатюрные аккумуляторы, солнечные батареи с небольшой площадью и т.п.), что при прочих равных условиях снижает их емкость или мощность. Помимо всего прочего, необходимость продления времени работы практически любых портативных автономных устройств между процессами зарядки, вероятно, не исчезнет никогда, даже с учетом успешного развития технологий источников питания.

Разработчики, кроме обеспечения цифровых устройств всей современной функциональностью, должны сделать их достаточно экономичными с точки зрения потребления энергии и работоспособными в широком диапазоне операционных и технологических факторов.

Методы снижения потребляемой мощности позволят устройствам работать без специального термального обслуживания, что приведет к более дешевым корпусам и малым размерам. Поскольку высокое энергопотребление влияет на надежность КМОП-схем, то, соответственно, снижение мощности повысит их запас прочности (живучести).

Реализация всех функциональных модулей вычислительных систем с использованием энергосберегающих технологий позволит создавать на одном кристалле функционально законченные устройства с высокой степенью интеграции, что значительно увеличит функциональную насыщенность, снизит массогабаритные параметры конечного продукта, увеличит его производительность.

В таких условиях энергопотребление становится одним из ограничивающих факторов, сдерживающих дальнейшее развитие портативной электронной техники.

В итоге актуальность разработки методов проектирования микроэлектронных цифровых устройств с низким энергопотреблением можно определить следующими основными факторами:
  • наличием множества приложений (портативные компьютеры, средства навигации, средства связи, цифровая аудио- и видеотехника), которые должны сочетать высокую надежность и требуемое быстродействие с низким потреблением энергии для достижения заданной продолжительности автономной работы;
  • необходимостью снижать потребляемую мощность для решения проблемы отвода тепла, т.к. это определяет массогабаритные показатели устройств;
  • необходимостью решения проблемы проведения эффективного тестирования сложных функциональных цифровых устройств, при котором значительно возрастает рассеиваемая мощность.

Задачу проектирования вычислительных микроэлектронных систем с малым энергопотреблением возможно эффективно решить только с применением методов снижения потребления энергии на всех уровнях иерархии проекта. Ошибка на любом из уровней иерархии может свести на нет все успешные результаты на остальных. Например, проект CADRE (процессор цифровой обработки сигналов для мобильных телефонов), был хорошо оптимизирован на архитектурном и программном уровнях, но на схемном и логическом уровнях оказался неэффективен.


Состояние вопроса

Слабым местом, которое существенно ограничивает возможности увеличения энергоэффективности современных микропроцессоров и систем-на-кристалле является цепь синхронизации. Высокая рабочая частота, большие сопротивление и емкость линий связи приводят к тому, что в цепях синхронизации современных сверхбольших интегральных схем (СБИС) рассеивается до 50% от общей мощности. Одним из перспективных решений данной проблемы является отход от самой концепции синхронизации и применение в проектировании цифровых устройств принципов асинхронной логики.

В настоящее время наиболее известными элементами, применяемыми для разработки самотактируемых, нечувствительных к задержкам схем, являются элементы NCL-логики (NULL Convention Logic). К недостаткам методов построения функциональных блоков на основе NCL-логики можно отнести: избыточность по числу транзисторов, относительное низкое быстродействие и высокое статическое и динамическое энергопотребление. Методы минтермного синтеза (Delay Insensitive Minterm Synthesis - DIMS) позволяют формировать схемы асинхронных логических блоков с помощью пороговых элементов, что также приводит к избыточности и, соответственно, низкой энергоэффективности.

Формирование логических схем без использования традиционных C-элементов и NCL-элементов позволит сократить длину пути прохождения сигнала, суммарную паразитную емкость, статическое и динамическое рассеяние энергии за счет уменьшения числа транзисторов, входящих в схему.

Сокращение аппаратных затрат не всегда ведет к сокращению энергопотребления системы. Один и тот же алгоритм можно реализовать аппаратно, программно или совместно аппаратно-программно. При аппаратной реализации достаточно большой вклад в рассеяние общесистемной мощности вносят блоки статической оперативной памяти. При программной реализации возможен резкий рост числа переключений элементов, что добавляет заметную часть динамической мощности и снижение быстродействия. Поэтому, как правило, оптимум энергоэффективности может быть достигнут при компромиссном аппаратно-программном решении, в частности, за счет минимизации объемов необходимой оперативной памяти.

В связи с ростом интеграции разработчики СБИС имеют возможность объединять на одном кристалле десятки больших сложных функциональных блоков (СФ-блоков  IP-ядер) различного назначения, в том числе и микропроцессорные ядра. Одними из ключевых направлений развития систем-на-кристалле являются разработки по созданию структурированных систем коммуникации  сетей-на-кристалле (Network on a Chip – NoC). Сеть-на-кристалле является коммуникационной системой IP-ядер на основе пакетной передачи данных и административного управления. За счет масштабируемости коммуникации NoC обеспечивают гибкое повторное использование разнородных IP-ядер.

Методы проектирования NoC на сегодня не позволяют учитывать совместно геометрические размеры топологии блоков, модели энергоэффективности соединений и трафик в системе. Сокращения числа транзакций и улучшения энергоэффективности систем-на-кристалле можно достичь с помощью оптимизации топологической архитектуры внутрикристальной сети.

Задачу оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в NoC предлагается решить с помощью генетических алгоритмов, которые отличаются от других оптимизационных алгоритмов тем, что предполагают одновременный поиск в различных областях пространства решений. Элементы случайности позволяют преодолевать барьеры локальных оптимумов. Выбор способа кодирования модели оптимизационной задачи, а также набора генетических операторов, во многом определяет эффективность и качество применяемых генетических алгоритмов. Поэтому, разработка способа кодирования моделей и разработка генетических операторов для оптимизации межблочных транзакций, является актуальной в научном и практическом плане задачей.

Создание вычислительных устройств на основе квантовых клеточных автоматов позволяет резко сократить энергопотребление за счет их высокой энергоэффективности, обусловленной квантовыми эффектами. При этом недостаточно развиты и изучены методы эффективного построения топологии функциональных блоков, а также возможности их реализации на базе принципов асинхронной логики.

Существующие методологии разработки схем асинхронной логики позволяют реализовать маршрут автоматизированного проектирования микроэлектронных систем от функционального описания до топологии, однако сквозной маршрут проектирования асинхронных блоков в полностью автоматическом режиме пока недостижим. Поэтому, решением этого может быть создание методологии и программных средств автоматического проектирования асинхронных систем на различных иерархических уровнях.


Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов повышения энергоэффективности микроэлектронных систем на различных уровнях проектной иерархии – на схемотехническом, архитектурном, программном и технологическом, что позволит снизить их энергопотребление и, соответственно, увеличить длительность автономной работы.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи по разработке и исследованию:

- методологии построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков с малым энергопотреблением;

- аналитических моделей для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками;

- методов повышения энергоэффективности на архитектурном уровне, оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности, а также метода проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- конструкций элементов асинхронной логики на основе квантовых клеточных автоматов;

- методологии и программных средств автоматизированного проектирования энергоэффективных асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле;

- методов проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++ и построения VHDL-описаний функциональных блоков для повторного использования на основе описаний на языке SystemC.


Научная новизна:

- предложена методология построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков;

- получены аналитические модели для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками, разработана методика нахождения оптимальных ширин каналов транзисторов для максимизации энергоэффективности;

- представлен метод повышения энергоэффективности микроэлектронных систем на архитектурном уровне;

- разработан метод оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности;

- предложен метод проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- создана методология автоматизированного проектирования асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле;

- разработан метод проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++.

Решение ряда новых задач повышения энергоэффективности, представленных в работе, стало возможно благодаря известным достижениям микро- и наноэлектроники и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теория оптимизации и планирование эксперимента. Созданные методы, маршруты и программные проектирования систем-на-кристалле согласуются с опытом их разработки.

Предложенные теоретические положения и новые технические решения опробованы на основе вычислительных экспериментов.

Результаты исследований анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.


Практическая значимость

В соответствии с предложенными в диссертационной работе методами разработаны:
  • алгоритмы и программы схемотехнического и топологического проектирования асинхронных функциональных блоков, а также оценки энергоэффективности синтезированных блоков;
  • конструкции элементов цифровых функциональных блоков, а также элементов асинхронной логики на основе квантовых клеточных автоматов;
  • маршрут проектирования СБИС на основе библиотеки элементов AMS-0,8 мкм для САПР Leonardo Spectrum;
  • маршрут проектирования заказных СБИС от уровня поведенческого представления на языке VHDL до структурного описания в формате EDIF;
  • маршрут сквозного проектирования специализированных СБИС на основе ПЛИС и заказных интегральных схем от поведенческого VHDL- и С++-описания до топологии;
  • БИС арбитра шин многопроцессорной вычислительной системы на основе БМК серии 5503ХМ2, на основе ПЛИС, а также в виде проекта заказной интегральной схемы на библиотеке элементов HP-0,5 мкм;
  • функциональное ядро пространственной высоко- и низкочастотной фильтрации высокопроизводительного видеопроцессора;
  • функциональное ядро виртуального логического анализатора ПЛИС;
  • сложно-функциональный блок пространственной фильтрации для определения амплитуд перепадов яркостей на изображении для системы-на-кристалле на ПЛИС;
  • БИС декодера сверточных турбокодов по алгоритму MAP для спутниковой телекоммуникационной системы INMARSAT;
  • проект статического ОЗУ для технологии кремний-на-изоляторе 0,8 мкм;
  • компилятор (программное средство для синтеза) топологии статического ОЗУ для систем-на-кристалле.

Применение всех разработанных автором методов, моделей и маршрутов проектирования позволило создать вычислительные микроэлектронные системы с малым энергопотреблением.

Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по отработке предложенных методов повышения энергоэффективности на архитектурном и схемотехническом уровнях проектной иерархии систем-на-кристалле.

Предложенные идеи архитектурного преобразования функциональных блоков использованы при проектировании систем микроэлектронной техники.

Разработанные в диссертационной работе положения, методы и маршруты проектирования микроэлектронных систем позволили повысить качественные результаты при создании новых образцов микроэлектронной техники в проектных организациях электронной промышленности РФ.

В диссертации решена крупная научная проблема снижения энергопотребления микроэлектронной техники, имеющая хозяйственное значение, а также изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие микроэлектронной промышленности страны и повышение ее обороноспособности.


Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы в научных исследованиях и разработках ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ (ТУ) (г.Москва), Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета (г.Таганрог), ОАО НКБ ВС (г.Таганрог), ГКБ «Связь» (г.Ростов-на-Дону), использованы в НИР, выполненных по заданиям Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института Южного федерального университета в г.Таганроге.


Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” (ПЭМ-97, ПЭМ-98) (Дивноморское, 1997, 1998 гг.), на XXVI Юбилейной Международной конференции и дискуссионном научном клубе «Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (IT+SE’98) (Ялта-Гурзуф, 1998 г.), на XXXXIII-XXXXVI научно-технических конференциях ТРТУ (Таганрог, 1998 – 2001 гг.), Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 1999 г.), на Международных научно-технических конференциях “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” (ПЭМ-99, ПЭМ-2000) (Дивноморское, 1999, 2000 гг.), на 3-й международной НТК «Электроника и информатика  XXI век» (Москва, 2000 г.), на XLVIII научно-технической конференции ТРТУ (Таганрог, 2003), International Conference On ASIC (ASICON 2003, Пекин, 2003), Второй Всероссийской научно-технической конференций (МИЭТ, Москва, 2003), XLIX научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 2004), IX международной научно-технической конференции «Актуальные про­блемы твердо­тельной электро­ники и микро­электроники» (ПЭМ-2004, Дивноморское, 2004), LI научно-технической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 2005), Х Международной НК и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06, Таганрог, 2006), Конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2006» (МЭС-06, Москва, 2006), Конференции «Автоматизация проектирования дискретных систем» (CAD DD’07, Минск, 2007), LV научно-технической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2009).


Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- методология построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков;

- аналитические модели для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками;

- метод повышения энергоэффективности микроэлектронных систем на архитектурном уровне;

- метод оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности;

- метод проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- методология автоматизированного проектирования асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле;

- метод проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++.


Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 39 печатных работ (из них: 12 в изданиях рекомендованных ВАК и одна монография), 17 отчетов по НИР и 2 свидетельства об официальной регистрации программ.


Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложения. Работа изложена на 226 страницах ма­шинописного текста, 88 рисунках, 6 таблицах и содержит список литературы из 309 позиций.