Järjestelmäpiirit: Matalan tehonkulutuksen toteutusteknologiat

Abstract

Tässä kirjallisuuskatsauksessa käsitellään järjestelmäpiirien yleisrakennetta ja vastataan kysymyksiin missä laitteissa järjestelmäpiirejä hyödynnetään, mitä ominaisuuksia järjestelmäpiirien hyödyntämisellä elektroniikkalaitteissa saavutetaan, mikä on matalan tehokulutuksen merkitys elektroniikkalaitteissa, mistä tekijöistä tehonkulutus koostuu ja mitkä ovat yleisimmät matalan tehonkulutuksen optimointimenetelmät. Lähteet painottuvat kirjallisiin teoksiin, konferenssijulkaisuihin ja vertaisarvioituihin artikkeleihin. Energiankulutuksen ja IoT-laitteiden trendit näyttävät suuntaa kasvavalle tarpeelle kehittää järjestelmäpiirejä ja keskittyä matalan tehonkulutuksen saavuttamiseen. Järjestelmäpiirit ovat sulautetuissa järjestelmissä ja mobiililaitteissa käytettyä teknologiaa, joka integroi suurimman osan tai kaikki laitteen toiminnallisista osista yhdelle mikrosirulle.

Tehonkulutus koostuu laitteen toimintojen aiheuttamista dynaamisista tehohäviöistä ja käytetystä transistoriteknologiasta sekä koosta riippuvista staattisista tehohäviöistä. Dynaamisten häviöiden optimointi keskittyy kellosignaalin taajuuden ja käyttöjännitteen minimointiin. Staattisten tehohäviöiden optimointi keskittyy vuoto- ja oikosulkuvirtojen vaikutusten minimointiin.

Yleisimmät matalan tehonkulutuksen menetelmät liittyvät laitteen toiminnalliseen suunnitteluun eli dynaamisten häviöiden minimointiin. Kellosignaali ajoittaa järjestelmän toimintaa ja on nopeimmin vaihtuva signaali, joten tavoitteena on optimoida kellosignaalin taajuus mahdollisimman matalaksi. Yleinen ja halpa matalan tehonkulutuksen menetelmä on nimeltään clock gating, jossa järjestelmä jaetaan toimintojen mukaan eri osiin. Nämä osat jaetaan niitä ajoittaviin kelloverkkoihin, joiden avulla järjestelmän osat voidaan eristää kellosignaalin muutoksista, kun ne eivät ole aktiivisia. Toimimattomana olevat järjestelmän osat voidaan myös eristää käyttöjännitteestä, kunnes niiden toimintaa taas tarvitaan. Kyseistä menetelmää kutsutaan nimellä power gating.

Unitilat ja matalamman suoritustehon tilat optimoivat järjestelmän toimintaa skaalaamalla kellotaajuus ja käyttöjännite matalampaan tasoon tai eristämällä piirin osat clock gating ja power gating -menetelmillä. Käytön aikaista dynaamista jännitteen ja taajuuden skaalausta kutsutaan nimellä dynamic voltage and frequency scaling. Laitteiden toiminnat, jotka vaativat hetkittäistä suorittamista voidaan optimoida menetelmällä, jossa ohjelmallisesti ennustetaan toimintaa ja jaetaan toiminnon toteuttava osa uni- ja toiminta-ajanjaksoihin. Tätä jaksollista herättämis- ja sammuttamisjaksotusta kutsutaan nimellä duty cycle. Edellä mainituista menetelmistä ja niitä hallitsevista toteutuksista koostuu dynaaminen tehonhallinta eli dynamic power management.

Matalan tehonkulutuksen menetelmät lisäävät viivettä ja heikentävät suoritustehoa. Suoritustehoa parantavien arkkitehtuurien ja ajoitusta optimoivien suunnittelumenetelmien hyödyntäminen mahdollistaa jännitteen ja kellosignaalin taajuuden madaltamisen. Näitä suunnittelurakenteita kutsutaan nimillä rinnakkaisuus ja liukuhihnoitus.

Useiden tutkimusten ja konfferenssi julkaisujen päätelmien perusteella matalan tehonkulutuksen optimoinnin merkitys elektroniikkasuunnittelussa on kasvanut ja tulee kasvamaan entisestään. Järjestelmäpiirit mahdollistavat tehonkulutuksen optimointia niissä sovellutuksissa, joissa se on laitteen käytön kannalta merkittävintä. Tämä kirjallisuusselvitys kertoo yleisimmistä tehonkulutuksen optimointimenetelmistä.