Giyimli teknoloji giderek popüler hale gelirken, enerji verimli mikroişlemciler için talep asla daha büyük olmamıştı. Fitz ve akıllı gözlemlerden gelişmiş tıbbi monitörler ve artırılmış gerçeklik bardakları için, bu cihazlar yüksek performansta en az güç çekmeli işlemcilere güveniyor. Merkez'i bu gelişime dengelemek için karmaşık bir kontrol ünitesidir, ve geleneksel olarak bilgisayar ve sunucu ortamlardaki yüksek lisanslamalar için desteklenmektedir.
Bu makale, CISC mimarisinin temel prensiplerini, giyilebilir cihazların belirli güç kısıtlarını ve modern CISC işlemcilerini ultra güç ortamlarda geliştirmelerini sağlayan gelişmiş düşük güç tasarım tekniklerini araştırıyor. Ayrıca, aşınmaz hesaplamalarda mümkün olan şeyin sınırlarını zorlamaya söz veriyoruz.
CISC Microişlemciler
CISC (Complex Öğretim Set Computer) mikroişlemciler, program başına daha az sayıda montaj kodu kullanarak karmaşık talimatları uygulamak için tasarlanmıştır, ancak işlemcinin decode ve yürütme birimlerinin karmaşıklığını artırabilir.
Tarihsel olarak, CISC mimarlıkları kişisel bilgisayar ve sunucu pazarlarına hükmedmiştir. x86 ailesi, Intel ve AMD tarafından geliştirilen, on yıllardır geriye uyumluluk ve çok sayıda yazılım ekosistemi sunan en belirgin örnektir. Ancak, bu tür tasarımların gücü verimliliği kalıcı bir endişedir.
Güç tüketimini etkileyen CISC işlemcilerinin temel özellikleri şunlardır:
- [FONT=0)Midyum kontrol birimleri:[Dönetici:0)[Döneticileri)[değiştir | kaynağı değiştir], ek mantık ve saat döngüleri gerektiren mikro-işlemler dizisine kırılır.
- [FONT:0) Değişken Öğretim uzunlukları: [Döneticiler, Decoders farklı boyutlardaki farklı boyutların talimatlarını ele almalıdır, artan karmaşıklık ve enerji kodlanmış öğretim için.
- [FONT:0) Çok döngüsü:[Dön- döngüsü)[[[Dönlendirme:[Dön-dönüşüm)) Birçok talimat, daha yüksek dinamik güce yol açan birçok saat döngüsü alır.
- [FONT:0)Large kayıt dosyaları ve önbellekleri:[Dönetici: 1 ) hafıza erişim gecikmesini azaltmak için CISC işlemcileri genellikle sayısal önbellekleri entegre eder, statik ve dinamik gücü tüketmektedir.
Bu zorluklara rağmen, düşük güç tasarımlarında son gelişmeler CISC'yi, kompakt, enerji kısıtlayıcı ortamlarda CISC tasarım için uygun bir seçenek haline getirdi.
CISC Designs'ta Anahtar Güç Tüketim Faktörleri
Enerji verimli CISC işlemcilerini giyilebilirler için etkin bir şekilde tasarlamak için mühendisler birincil güç dağılımı kaynaklarını anlamalıdır. Bunlar dinamik güç, statik güç ve kısa sirkül gücüne kategorize edilebilir.
Dinamik Güç
Dinamik güç, transistörlerin mantık devletleri arasında geçiş yaptığında tüketilir. Operasyon gerilimi meydan okuması, saat frekansı ve aktivite faktörü (saat döngüsüne geçiş yapan kapıların çoğu) CISC işlemcilerinde, veri paylaşımı ve kontrol mantığının karmaşıklığı özellikle de yüksek aktivite faktörlerine yol açar.
Statik (Leakage) Güç
Statik güç, veya mevcut sızıntılar geçişken bile akışlar. Daha küçük proses düğümlerinde baskın hale gelir (örneğin, 28nm ve aşağıda).Sürekli işlemciler, bataryayı kurtarmak için boş zamanlar kalmalı, sızıntı akımları kullanımda olmadığı zaman bile bataryayı boşaltabilir.
Kısa-Circuit Power
Kısa devre gücü, hem çek ve çekme ağlarının aynı anda yürütülmesi sırasında kısa sürede meydana gelir. Genellikle küçük bir miktar toplam güç, kötü tasarlanmış devrelerde önemli olabilir.Sürücüklerin bakımı ve hız süreleri bunu azaltır.
Giyimli cihazlar bağlamında, işlemci aynı zamanda sensörler, kablosuz radyolar ve görüntüler gibi periferiklardan güç almalıdır. Bütünleşik bir sistem-on-çip (SoC) yaklaşımı, CISC çekirdeğinin özel düşük güç hızlandırıcıları ve uyku devreleri ile entegre olduğu yerde, genellikle kabul edilir.
Giyimlenebilir Uygulamaların Zorlukları
Giysilenebilir cihazlar mikroişlemci tasarımı konusunda eşsiz talepler yerine getirir. Orijinal makale birkaç zorluk listeledi; her şeyi daha derin bağlam ve pratik sonuçlarla genişleteceğiz.
Sınırlı Battery Kapasite Kapasitesi
Giysilenebilir bataryalar boyut ve ağırlık tarafından kısıtlanır. Akıllı bir gözlem genellikle 200-500 mAh bataryası evler, bir fitness pisti, 50-200 mAh'a sahip olabilir. CISC işlemcisi bile ılımlı frekanslarda (örneğin, 200 MHz), aktif güç tüketimi, tam bir operasyon günü elde etmek için 100 mW'nin altında tutulmalıdır.
Uzun Operasyon Saatleri İçin Gerekli
Kullanıcılar en az bir gün boyunca giyilebilir, genellikle daha fazla, tek bir ücretle çalışır. Sürekli operasyon, adım sayma, kalp hızı izleme ve Bluetooth düşük enerji (sol) iletişimini sağlar. CISC çekirdeği derin uyku devletlerinden uyanma yeteneğine sahip olmalıdır, periyodik hesaplamalar yapmak ve hızla uyumak için geri dönmektir.
Miniaturizasyon Constraints
SoC'nin fiziksel boyutu sınırlıdır. Daha küçük bir ölü maliyeti azaltır ve daha kompakt cihazlara izin verir, ancak aynı zamanda büyük önbellekleri veya birden fazla çekirdekleri entegre etme yeteneği azaltır. CISC tasarımları, bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için genellikle 32-64 KB L2 önbellekli ve birkaç yüz KB L2 önbellekliz, küçük bir ayak izi ile uygulanmalıdır.
Gerçek Zamanlı Veri Analizi için İşleme Performansını Korumak
Giyim edilebilir cihazlar, varsayılan algılama gibi uygulamalar için gerçek zamanlı sensör verileri işlemeli, ECG analizi veya ses tanıma. Basit bir mikrokontrol (örneğin, ARM Cortex-M) temel görevler için yeterli olabilir, daha karmaşık algoritmaların yüksek öğretim seviyesindeki paralellik ve zenginleştirici bir öğretim setinden yararlanırken, FFT veya ağ işlemcisi olmadan bu algoritmaların uygulanmasıdır.
CISC Süreçtörler için Low-Power Design Techniques
Mühendisler, ihtiyaç duyulan performansı korumak için CISC mikroişlemcilerini azaltmak için bir batarya teknik tasarladılar. Bu teknikler, mantık, mikroarite ve sistem seviyeleri.
Saatler ve Güç Gating
Saat gwake, FPU'nun kayıt ve mantığını ortadan kaldıran iyi yapılandırılmış bir tekniktir. Örneğin, eğer bir akış birimi (FPU) gerekli değilse, saatleri FPU'nun kayıt ve mantığında dinamik güç tüketimi ortadan kaldırılabilir. CISC işlemcileri, saat gating mikro-işman düzeyinde uygulanırsa - karmaşık bir talimat kodlanmışsa, yalnızca ilgili yürütme birimleri (ALU, yük / istasyonlar vb.) hızlanır.
Dinamik gerilim ve Frekans Scaling (DVFS)
DVFS, işletim gerilimi ve saat frekansını iş yükü talepleri doğrultusunda ayarlamaya olanak sağlar. Bir bildirimde olduğu gibi ışık görevleri sırasında, gerilim ve frekans minimuma daha düşük olabilir (örneğin, 0.6VFS), mikro kodlamalı doğaları büyük ölçüde azaltır (örneğin, V2f ile ısı geçişi için).
Öğretim Set Optimizasyonu
CISC felsefesi karmaşık talimatlar sağlamaktır, bu talimatların çoğu nadiren giyilebilir iş yüklerinde kullanılır. Tasarımcılar, tipik sensör işleme algoritmaları için optimize edilen bir alt setin bir alt kümesi oluşturabilir.
- [FONT:0)Macro-op füzyon: Boru verimliliğini artırmak ve getirebilmek ve kod enerjisini azaltmak için birden basit talimatları bir mikro-opa karıştırın.
- [FONT:0]Sıklama hızlandırıcıları ortak operasyonlar için: Örneğin, filtrelemede kullanılan özel bir talimat, belirlenen talimatların sayısını azaltabilir.
- [FONT=0)Mikrocode yarılama:[Dönetici:0) Belirli görevler için daha verimli olan mikro kod dizilerini yeniden konumlandırın.
Öğretim setini veya uygulamayı giyilebilir uygulamalar için tertemiz olarak, tasarımcılar performanstan ödün vermeden% 20-40 enerji tasarruflarını elde edebilir.
Süreç ve Gerekleme
Daha gelişmiş yarı iletken bir işlem düğümü taşıma (örneğin, 28nm'den 7nm'ye kadar) hem dinamik hem de statik gücü daha düşük kapasiteli devreler için, dinamik güç dramatik olmayan, ancak performans azalır ve daha düşük gerilimlerde yüksek sızıntıya sahiptir. Yakın zamanda, standart bir eşiğin kombinasyonu (SV) ve düşük frekanslı hızlarda (V) yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kullanım için yüksek çözünürlükte kullanılır.
Heterojen Çok-Core Architectures
Mobil ve giyilebilir bir bilişimdeki popüler bir strateji, gerekli olmayan ve küçük bir temel üzerinde yüksek performanslı bir CISC çekirdeği birleştirmektedir.Instremokrat mimarisi (PSC tarafından kullanılır, ancak CISC çekirdeği sadece konuşma gibi büyük CISC çekirdeği için aktiftir.) Örneğin, bir aşınma küçük, düşük güç kümesine sahip olabilir.
Memory Hierarchy Optimizasyonları
Bellek erişimi, düşük bir gerilimde çalışan büyük bir enerji tüketimi kaynağıdır, özellikle de hata düzeltme kodu (ECC) bellek, daha düşük gerilimlere sahip olan işletime izin verebilir.For wearables, küçük L1 önbellek (16-32 KB) ek olarak, düşük bir gerilimde çalışır.
Vaka Çalışmaları ve Örnekler
Birkaç gerçek dünya işlemcileri, CISC ilkelerinin düşük güç aşınması ve IoT uygulamaları için nasıl uyarlandığını göstermektedir.
Intel Quark SoC
Intel'in Quark ailesi, özellikle D2000 ve SE serisi, aktif modda yaklaşık 30mW olarak tasarlanmış 32 bit x86 CISC işlemcisi (üçüncü katta, sipariş hattında, saat gating ve küçük önbellekli bir şekilde), örneğin, Quark D2000, aktif modda 1.5mW olarak küçük bir şekilde tüketiyor (üçlü ekranda x86 filtre kullanılıyor) x86 kullanım için kullanılan x86 araç.
Dörd G-Serisi
AMD'nin G-Seri işlemcileri x86 CISC çekirdeği ile tek bir ölü üzerinde Radeon grafiklerle entegre edilir, düşük güç gömülü cihazlar hedef alır. GX-210JA, örneğin, 6W TDP'de çalışırken, Windows ve Linux uygulamaları ile düşük güç olarak çalışırken, bu işlemciler, grafiklerin gerekli olduğu akıllı sistemlerde kullanılır.
RISC-V-Based CISC Emulation
İlginç bir şekilde, bazı araştırmacılar, yazılım uyumluluğunu sürdürürken CISC talimatı setlerini taklit etmenin yollarını araştırıyorlar.Bu yaklaşım, X86 talimatlarını RISC-V mikro-işlemlerine dönüştürerek, yazılım uyumluluğunu sürdürürken modern RISC-V çekirdeklerinin gücünü kullanabilir.
Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar
Enerji verimli CISC işlemcilerinin giyilebilirler için geleceği, malzemeler, devre tasarımı ve mimarideki ilerlemeler ile şekillendirilir.
Yakın zamanda, Gerçeği (NTV) Operasyon
NTV, dinamik gücü büyüklükte bir düzenle kesmeye söz verir, ancak birkaç miliwatt altında performans ve yetimsizlikle mücadele eder. Adaptif vücut önyargısı ve hata-resilient mimarileri bu sorunları hafifletmeye yardımcı olur.
-Volatile Memory Entegrasyon
MRAM (Magnetoresistif RAM) ve RRAM (Resistör RAM) gibi kötü olmayan anılar, yüksek güç önbellekleri veya sıfırpads için kullanılabilir. Güç kaldırıldığında verileri korurlar, flaştan yenileme ihtiyacı ortadan kaldırırlar.Bir CISC işlemcisinde, bir MRAM tabanlı L2 önbelleklisi, MRAM güçten çok az sayıda bulunabilir.
Adaptif Saat ve Geriş Kontrol
Future işlemciler, çip sensörlerine (sıcak, gerilim droop, süreç) gerçek zamanlı olarak gerilime dayalı olarak yüksek zamanlara daha yakın çalışma olanağı sağlar.Bu adaptive control, tasarımın geniş bir dizi koşula daha yakın çalışmasını sağlar. CISC çekirdeği mikrokod kontrolü ile birlikte, gözlemlenen zaman zaman zaman gerilimi azaltan bir enerji yönetiminden yararlanabilir.
Domain-Specific Acceleration
Sadece tüm hesaplamalar için CISC çekirdeğine güvenmek yerine, CISC temel görevleri bu düşük güç blokları gibi işleyicileri ile entegre edecektir. Örnekler Google Edge Files ve kriptografik işlemleri içerir. Bu hızlandırıcılar hem de Helium vektörel devreleri ile uygulanabilir. CISC'nin temel işlemleri, bu düşük güç bloklarına yükleyici olarak eklenebilir, ancak Google Edge SYN ve ARM's Cortex-M55'i Helium vektör uzantıları ile uygularlar.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Endüstriyel enerji verimli CISC mikroişlemciler giymek için karmaşık ama uygulanabilir bir hedeftir. Geleneksel enerji yönetim tekniklerini birleştirerek - saat boyunca, güçlendirici, DVFS - heterojen multi-core tasarımları, eğitim seti optimizasyonu ve yakın işbirlikleri gibi mimarlık yenilikleri ile, mühendisler CISC işlemcileri oluşturmak için gerekli olan performansı en dar enerji bütçelerine saygı göstererek, yüksek çözünürlükte olan avantajların ve yeni hafıza türlerine bağlı olarak, CISC güç tüketimi ve daha basit RISC çekirdekleri arasındaki boşluklar ile ilgilidir.
Giyimli teknolojinin devam eden başarısı, tasarımcıların enerji verimliliğine karşı daha sofistike bir şekilde uyum sağlama yeteneğine bağlı olacaktır. CISC mikroişlemciler, uzun inovasyon ve geniş yazılım desteği ile, bu gelecekte önemli bir rol oynamaya hazır hale gelir, tasarımcılar enerji verimliliğine sahip ilkelere bağlı kalır.