מדוע IEEE 1801 Matters for Low Power FPGA Design in Mobile מכשירים

מכשירים ניידים הפכו לפלטפורמת מחשוב העיקרית עבור מיליארדי משתמשים ברחבי העולם.מסמארטפונים וטאבלטים לרכיבים ונקודות קצה של IoT, מכשירים אלה דורשים איזון עדין בין ביצועים ויעילות כוח. cc-Programmable Gate Arrays (FPGA) הם יותר ויותר למצוא את דרכם לתוך עיצובים ניידים, המציעים אופטימיזציה מחדש של כוח יכול להאיץ את מעצבי העבודה הספציפיים תוך שמירה על גמישות לפיתוח סטנדרטים, גמישות מאוד שגורמת ל-FGA סטנדרטים סטנדרטיים של כוח סטנדרטיים, כמו גם לאפקטים סטנדרטיים, כמו גם לאפקטיביים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים סטנדרטיים, כמו גם ל-מספקים סטנדרטיים של ניהול כוח סטנדרטיים של ניהול כוח סטנדרטיים של יעילות, כמו גם דרישות ניהול כוח.

IEEE 1801 ו-Unified Power Format

IEEE 1801 אושר לראשונה בשנת 2009 ועבר מספר תיקונים, עם IEEE 1801-2018 להיות הגרסה האחרונה מאומצה באופן נרחב.הסטנדרט מגדיר סינטקס וסימנטיקה לסימון הכוונה של כוח של עיצוב אלקטרוני. Power הכוונה מתייחסת למטרות ולמגבלות של המעצב לגבי האופן שבו כוח מבוזר, מבוקר, ומנוהל על פני חלקים שונים של שבב או מערכת חומרה (L) כמו למשל, עיצוב חשמל מודרני, או מתודולוגיה.

בליבתו, IEEE 1801 מאפשר למעצבים להגדיר תחומי כוח, שהם קבוצות של לוגיקה לחלוק אספקת חשמל משותפת וניתן להפעיל באופן עצמאי או למטה. בתוך כל תחום כוח, מעצבים יכולים לציין רמות מתח, מצבי חשמל (כגון ON, או RETENTION), ותאים ניהול חשמל כגון משתנים, בידוד, ורישום שמירה.הסטנדרט תומך גם בהגדרות ספציפיות של כוח, אשר מאפשרות שילוב של מערכות חשמל ספציפיות, כלומר, הגדרות, על פני הגדרות, על פני הגדרות, על פני הגדרות, על פני הגדרות סטנדרטיות, על פני הגדרות כוח סטנדרטיות, ותקנות של מערכות בקרה, כגון מתקנים סטנדרטיות, תאים סטנדרטיות, מערכות בקרה, מערכות בקרה, מערכות בקרה, כגון תצורה של כוח.

עבור מעצבי FPGA, IEEE 1801 הוא בעל ערך מיוחד משום ש- FPGAs לעתים קרובות יש ארכיטקטורות כוח heterogeneous עם מספר רב של מסילות מתח, יכולות דחיסות מתח דינמיות, ומבנים מורכבים של כוח מערכי כוח.הסטנדרט מספק שפה משותפת לתיאור האדריכלות האלה, המאפשר שיתוף פעולה בין צוותי עיצוב, ספקי IP, וספקי EDA.

התפקיד הגדל של FPGAs במכשירים ניידים

מבחינה היסטורית, FPGAs נחשבו יותר מדי כוח-hungry ויקר עבור יישומים ניידים. עם זאת, התקדמות תהליכים ייצור Semiconductor, יחד עם חידושים באדריכלות FPGA, הפחיתו באופן דרמטי את טביעת הרגל של כוח של מכשירים אלה.מודרני FPGAs מציעים בד לוגי הניתן לתוכנה, מערכות עיבוד קשיחות יותר ויותר, ו transceivers במהירות גבוהה, כל בתוך תקציבים המתאימים לביצועים ניידים ותוכנות כגון עיבוד מחשבי, כגון אבטחה, כגון עיבוד נתונים סטנדרטי, מערכת הפעלה, טיפול תרופתי, טיפול תרופתי, מערכת הפעלה אישית, מערכת ההפעלה.

במכשירים ניידים, FPGAs משמשים לעתים קרובות כמעבדים או מאיצים העוסקים בעומסים ספציפיים ביעילות רבה יותר מאשר CPU או GPU למטרות כלליות, לדוגמה, FPGA יכול להיות מוגדר לבצע רשת עצבית הניתנותנות עם שקיפות נמוכה יותר באופן דרמטי וצריכת חשמל בהשוואה לגישה מבוססת תוכנה.

למרות היתרונות האלה, שילוב של FPGA למכשיר נייד מציג אתגרים ייחודיים לניהול חשמל.מכשירים ניידים יש מעטפות תרמיות קפדניות, יכולת סוללה מוגבלת, דרישות אמינות מחמירות. FPGA כי צורכת כוח מיותר כאשר idle, או כי חוויות מתח מתכווץ במהלך מעברי חשמל דינמיים, יכול לסכן את כל ניסיון המשתמש.זה הוא שם 1801 הופך הכרחי.

אתגרים נמוכים ב-FPGA Design for Mobile מכשירים

עיצוב חשמל נמוך FPGAs עבור מכשירים ניידים כרוך ניווט שטח מורכב של סחר חליפין. מצד אחד, מעצבים חייבים למקסם את הביצועים עבור וואט כדי לספק את התגובה ואת היכולות כי משתמשים מצפים. מצד שני, הם חייבים למזער צריכת חשמל להאריך חיי סוללה ולהימנע מתת תרמית. כמה אתגרים ספציפיים להתעורר בהקשר זה.

(FLT:0)Challenge 1: Heterogeneous Power Domains.FLT:1 FPGAs מכיל מספר תחומים של כוח, כל אחד מהם יכול לפעול ברמות מתח שונות ולהיות מופעל על או באופן עצמאי.ניהול תחומים אלה כראוי דורש ספציפי זהה של מצבי כוח, רמות מתח, וריצוף כוח.

(FLT:0)Challenge 2: דינמי ניהול כוח.Build.veF1) מכשירים ניידים לעתים קרובות מעבר בין פעיל, idle, ו מצבי שינה. FPGA חייב להיות מסוגל לעבור בין מדינות אלה במהירות וביעילות, שמירה על ערכים רישום במידת הצורך ושיקום פונקציונליות ללא עיכוב.ספק את לוגיקה ניהול הכוח עבור מעברים אלה באופן לא-אגנוסטי הוא לא-פריאלי, במיוחד כאשר מספר תחומים מעורבים.

(FLT:0)Challenge 3: Verification Complexity.BuildFLT:1) עיצובי כוח נמוך מציגים מצבי כשלון חדשים שאינם נתפסים על ידי אימות פונקציונלי מסורתי.בעיות כגון ריצוף כוח לא נכון, שינויים ברמה חסרה, או נתיבים הנוכחיים שאינם מאומתים יכולים לגרום לכשלים פונקציונליים או אפילו נזק גופני.

(FLT:0)Challenge 4: Tool Portability ו- IP Reuseua.FLT:1 FPGA צוותים לעתים קרובות להשתמש תערובת של כלי EDA מ ספקים שונים.ללא פורמט כוח סטנדרטי, המציין את הכוונה כוח עבור שרשרת כלי אחד לא מבטיח כי אותה כוונה יתפרש כראוי על ידי כלי אחר.

IEEE 1801 מתייחס ישירות לאתגרים אלה על ידי מתן פורמט מאוחד, כלי-אגנוסטי עבור מפרטת כוונות כוח. על ידי אימוץ תקן זה, מעצבים יכולים להבטיח כי אסטרטגיות ניהול הכוח שלהם מוחלות באופן עקבי על פני כל זרימת העיצוב, מסימולציה RTL ליישום פיזי.

היתרונות העיקריים של IEEE 1801 עבור עיצוב חשמל נמוך FPGA

ניהול חשמל

IEEE 1801 מאפשר למעצבים להגדיר בבירור את תחומי הכוח בתוך עיצוב FPGA.כל דומיין יכול להיות מוקצה אספקת מתח ספציפית, והסטנדרט תומך בפרטיציה של מתגי כוח ששולטים כאשר כוח מועבר לכל תחום.זה מאפשר חשמל סלקטיבית, שבו בלוקים לוגיים של idle מופעלים לחלוטין כדי לחסל את זרם ההדלפה, זה חשוב במיוחד כי כוח דליפה יכול להפוך לשבריר משמעותית של צריכת חשמל מתקדמת ללא דחיסה יעילה על ידי אסטרטגיות כוח.

אישור כוח וניתוח

הערכת כוח גבוהה במהלך שלב העיצוב חיוני עבור עמידה מפרטים למכשירים ניידים. IEEE 1801 מאפשר זאת על ידי מתן מסגרת עקבית עבור מודלים של מצבי כוח ואת זרמי זרם הקשורים שלהם. EDA יכול לדמות את התנהגות הכוח של העיצוב בתנאים תפעוליים שונים, המאפשר למעצבים לזהות נקודות חמות, אופטימיזציה רמות מתח, ולאמת אסטרטגיות ניהול כוח לפני ייצור.זה להפחית את הסיכון של עיצובים יקרים ומבטיחה את היתרונות מרובים של המוצר באופן מדויק, כלומר, עבור כל אחד מהם, כלומר, שימוש במקרים מרובים, שימוש יעיל, בכל אמצעי כוח קריטי, כלומר, כלומר, בכל אמצעי בקרה למשתמש, שימוש יעיל, בכל אמצעי כוח קריטי, כלומר, כלומר, שימוש במקרים של צריכת חשמל קריטי, מדדי, כדי להעריך את יעילות השימוש במקרים מרובים, שימוש יעיל, כדי להעריך את רמות הלחץ קריטי, כדי להעריך את יעילות השימוש במנועי חשמל קריטי, כלומר, כדי להעריך את יעילותו של צריכת חשמל קריטי, כלומר, כדי להעריך את אסטרטגיות הפעלה.

עיצוב עקביות וזמינות כלי

אחד היתרונות המשמעותיים ביותר של IEEE 1801 הוא כי זה מאפשר עקביות עיצוב בכלים שונים של EDA ושלבי עיצוב. קובץ UPF שנוצר בשלב האדריכלי ניתן להשתמש במהלך זרימת העיצוב, מסימולציה RTL לסינתזה, מקום ותוואי, ואימות סופי.זה מבטל את הצורך לחדד באופן ידני את הכוונה לכל כלי, צמצום הסיכון לשגיאות הנדסיות וחיסכון זמן, יותר מכך ש- IPPF הוא כלי סטנדרטי לשימוש באופן ידני עם עיצובים של כלי סטנדרטיים של מכשירים ניידים.

יעילות משופרת וניהול התרמומלי

ניהול חשמל משפיע ישירות על האמינות והתנהגות תרמית של מכשירים ניידים.צריכת חשמל מופרזת מובילה לטמפרטורות תפעוליות גבוהות יותר, אשר יכול להאיץ אלקטרומיגולציה, להפחית את חיי הסוללה, ולגרום לעומס תרמי כי ביצועים של דירוגים 1801 מאפשר למעצבים ליישם אסטרטגיות ניהול תרמי מתקדמות על ידי קביעת מצבי חשמל מתקדמים כי להפחית את צריכת החשמל כאשר סף טמפרטורה הם מעל.

יישום מעשי של IEEE 1801 ב- FPGA Design Flow

המונחים: power intent Specification

הצעד הראשון ביישום IEEE 1801 בזרימת עיצוב FPGA הוא ליצור קובץ UPF שלוכד את הכוונה לכוח.קובץ זה נכתב בדרך כלל לצד קוד RTL ו מתפתח כמו עיצוב הבוגר. אלמנטים מרכזיים של קובץ UPF כוללים הגדרות דומיין כוח, לספק מפרט רשת, שולחנות כוח, מגבלות עבור משמרות, תאים בידוד, ותחזוקת עבור FPGA, הוא חשוב להגדיר אסטרטגיות כוח תואמים, כולל תכונות כוח קונסולה, כולל תכונות כוח קונסולה קשה.

סימבול ו-Verification

ברגע שכוונת הכוח נלכדה ב- UPF, הצעד הבא הוא לאמת כי העיצוב מתנהג כראוי תחת כל מדינות הכוח. Power-aware סימולציה כלים יכול לקרוא את קובץ UPF וליישם את המעברים של מדינת הכוח שצוין במהלך הסימולציה.זה מאפשר למעצבים לבדוק כי תאי בידוד מופעלים כאשר תחומים מופעלים, כי רישום שימור משמר את ערכיהם כראוי, וכי ריצוף כוח עומד בדרישות תזמון.

סינתזה ומימוש

במהלך סינתזה ויישום פיזי, כלי EDA משתמשים בקובץ UPF כדי להנחות אופטימיזציה כוח.כלי הסינתזה יכול להוסיף משמרות ברמת הדרג, תאי בידוד, ורישום שמירה באופן אוטומטי על בסיס מפרט UPF. במהלך המקום והתוואי, הכלי יכול להקצות דומיינים כוח לאזורים פיזיים של FPGA ורשתות ההפצה של נתיב כראוי.

השפעה על ביצועי התקן הנייד וחווית המשתמש

סוללה מורחבת Life

היתרון הישיר ביותר של עיצוב כוח נמוך FPGA מופעל על ידי IEEE 1801 הוא חיי סוללה מורחבים.על ידי ציון מדויק של תחומי כוח וליישם קידוד יעיל כוח, מעצבים יכולים להבטיח כי FPGA צורכת כוח מינימלי כאשר לא עיבוד נתונים באופן פעיל. עבור מכשירים ניידים אשר מבלים חלק משמעותי של הזמן שלהם במצבי עמידה או idle, זה יכול לתרגם שעות או אפילו ימים של מחקרים אחרים של סוללה, הראו כי באמצעות עיצובים של כוח יכול להיות מבוסס עד 90% של כוח.

שיפור היעילות

צריכת החשמל מופחתת מתרגמת ישירות לדור החום התחתון.מכשירים ניידים מסתמכים על מנגנוני קירור פסיביים וניהול תרמיים מוגבלים, כך צמצום פלט חום חיוני לשמירה על ביצועי שיא.על ידי שימוש ב- IEEE 1801 כדי ליישם מתח דינמי ותדירות וקצבת חשמל, מעצבים יכולים לשמור על FPGA בתוך התקציב התרמית שלה אפילו תחת עומסי עבודה כבדים.זה מונעת עווית תרמי, אשר יכול לגרום ביצועים ולהפחית השפעה שלילית על יישומים כגון סטרימינג וידאו, או סטרימינג, כגון סטרימינג וידאו.

המונחים: tiabling Slimmer Form Factors

מגבלות הכוח והארמאליות מכתיבות לעתים קרובות את העיצוב הפיזי של מכשירים ניידים.מכשיר שיוצר פחות חום יכול להשתמש ב-Aceamer רזה ודורשות פחות חומרה ניהול תרמיים מסיביים.על ידי אופטימיזציה של צריכת חשמל באמצעות עיצוב תואם IEEE 1801, מהנדסים יכולים לעזור לצוותי המוצר ליצור דק יותר, בהיר יותר, ואסטטי יותר תשואות ללא הקרבת ביצועים.זה יתרון תחרותי משמעותי בשוק הנייד, שבו הוא גורם מפתח שונה.

מגמות עתידיות וסטנדרטים מעורבים

תקן IEEE 1801 ממשיך להתפתח כדי להתמודד עם אתגרים מתעוררים בעיצוב חשמל נמוך.הגרסאות האחרונות הוסיפו תמיכה בטכנולוגיות מתקדמות כגון מעגלים משולבים תלת-ממדיים (3D-ICs), מערכות מרובות-die, ושילוב heterogeneous. עבור מכשירים ניידים שמבוססים יותר ויותר על מערכות-in-חבילה (SiP) ואדריכלות מבוססות השבבים, אלה הם רלוונטיים מאוד, בנוסף, תקן האינטגרציה עם תקן של פונקציות של ניהול IPV85 ו-ACT סטנדרטיות יותר.

ב-FPGA דומיין, ספקים מספקים תמיכה משופרת עבור UPF בכלים העיצוביים שלהם.לדוגמה, FPLT:0Xilinx VivadoveFLT:1 ו-FLT:2Intel Quartus PrimeFLT 3, שניהם מציעים תכונות אופטימיזציה כוח שניתן יהיה מונחה על ידי UPF Designer. כמו השוק הנייד דוחף עבור יעילות אנרגיה גבוהה יותר, אימוץ של 1801 צפוי לפתח מומחיות מתקדמת במיוחד עבור עיבוד חשמל PF.

Best Practices for Implementing IEEE 1801 בעיצובים של FPGA

(הצוותים המבקשים לאמץ את IEEE 1801 בזרימת העיצוב של FPGA שלהם, כמה שיטות טובות ביותר יכולים לעזור להבטיח הצלחה. הראשון, להתחיל מוקדם על ידי הגדרת כוח הכוונה ברמת השימוש האדריכלית ולא לפטור אותה לאחר ה- RTL הושלם.זה מאפשר אסטרטגיות ניהול כוח כדי להשפיע על החלטות מיקרו-ארכיטקטורה, מה שמוביל לתכנוןים יעילים יותר.2, להשקיע בסימולציה של כוח ואימות מההתחלה של כוח מינוף של קודקודמי כוח.

מסקנה

IEEE 1801 הוא תקן אבן הפינה של עיצוב FPGA נמוך למכשירים ניידים. על ידי מתן פורמט מאוחד, כלי-אגנוסטי לסימון הכוונה לכוח, הוא מאפשר למעצבים ליישם אסטרטגיות ניהול חשמל מתוחכמות המרחיבות את חיי הסוללה, להפחית את הדור החום ולשפר את האמינות. כמו FPGAs להיות נפוץ יותר ביישומים ניידים, החשיבות של תכנון חשמל סטנדרטי רק יגדלו מהנדסים אשר מחבקים 1801 ושילוב זה לתוך עיצוב יעיל יותר.