Программный анализ мощности

Власть имеет свойство стоить; высокая мощность стоит дорого. Эта довольно вынужденная адаптация известной цитаты лорда Эктона отражает два важных аспекта конструкции полупроводников и энергопотребления. Если посмотреть на среднее энергопотребление с течением времени, становится ясно, что микросхема с высоким энергопотреблением повлечет за собой большие затраты. В портативных устройствах большая мощность означает либо более крупные и дорогие батареи, либо сокращение срока службы батарей. Кроме того, большая мощность означает более совершенную и более дорогую упаковку для рассеивания образующегося тепла. Эти три фактора также имеют волновой эффект с точки зрения стоимости продукта, размера прибыли и вероятности успеха на рынке.

Опасения по поводу энергопотребления выходят далеко за рамки портативных устройств, которые хотя бы часть времени работают от батарей. Устройства с настенным питанием также несут дополнительные расходы с точки зрения упаковки, источников питания и систем распределения электроэнергии. Эти же проблемы распространяются на фермы серверов с их стойками или вычислительными серверами, массивными массивами хранения данных и сетевыми коммутаторами. Эксплуатационные расходы на серверные фермы огромны; Исследования показали, что счета за электроэнергию превышают стоимость самого оборудования в течение срока службы каждого сервера. Серверные фермы могут быть расположены рядом с плотинами гидроэлектростанций или массивными солнечными батареями, чтобы удовлетворить их высокие потребности. В некоторых регионах также должны соблюдаться «зеленые законы», регулирующие энергопотребление серверов.

В конце концов, чрезмерное потребление энергии может потребовать систем жидкостного охлаждения, которые увеличивают огромную инфраструктуру и связанные с этим расходы. По всем этим причинам снижение среднего энергопотребления является целью почти всех полупроводниковых проектов, независимо от конечного рынка. При рассмотрении пиковой мощности снижение может быть критической необходимостью, а не просто целью. Некоторые микросхемы спроектированы таким образом, что одновременно могут работать только определенные части. В таких случаях для включения всех функций может потребоваться больше тока, чем может выдержать устройство, что приведет к тепловому пробою и необратимому повреждению.

Проблемы анализа мощности

Учитывая все стремления к ограничению энергопотребления, промышленность разработала широкий спектр методов проектирования с низким энергопотреблением. Они варьируются от настроек схемы на уровне компоновки до программного управления питанием с учетом требований приложений. Какие бы методы ни использовались, очень ценно иметь возможность точно оценить их влияние, оценив как среднюю, так и пиковую потребляемую мощность во время проектирования и проверки разрабатываемого чипа. Недопустимо ждать, пока после изготовления обнаружится, что средняя мощность слишком высока для жизнеспособного продукта или что пиковая потребляемая мощность разрушает микросхему. Требуется эффективный предварительный анализ мощности, желательно на нескольких этапах проекта.

Традиционный подход индустрии электронного проектирования и автоматизации к анализу мощности основан на моделировании. Функциональная проверка микросхемы влечет за собой разработку испытательного стенда, а затем написание или создание набора тестов, которые проверяют каждую функцию или особенность конструкции микросхемы. Относительно просто смоделировать весь набор тестов или, возможно, только репрезентативную часть, и передать результаты в традиционный инструмент подтверждения мощности. Поскольку большая часть энергопотребления происходит только в том случае, когда схемы переключаются в состояние, имитатор может предоставить файл операций переключения инструменту отключения питания. В сочетании с характеристиками мощности в библиотеке для целевой технологии инструмент может обеспечить довольно точную оценку как среднего, так и пикового энергопотребления.

Эта точность, однако, полностью зависит от тестов, выполняемых при моделировании. На практике любой набор проверочных тестов не является репрезентативным для работы микросхемы с запущенным производственным программным обеспечением. Тесты, предназначенные для функциональной проверки, намеренно сосредоточены на стимулировании только тех областей дизайна, которые необходимы для целевой функции. Стенды с произвольным ограничением могут генерировать больше параллельных операций, но вряд ли смогут моделировать реальное использование. По-настоящему точный анализ мощности может быть выполнен только с использованием активности переключения реальных программных рабочих нагрузок, включая пользовательские приложения, работающие поверх операционной системы (ОС).

Обычно для загрузки ОС, запуска системных служб и выполнения приложений требуется несколько миллиардов тактовых циклов. Это было бы совершенно непрактично запускать в симуляции. Напротив, эмуляторы обычно выполняют миллиарды циклов, от загрузки ОС до параллельной работы нескольких пользовательских приложений. Эмуляция выполняет именно те реальные программные рабочие нагрузки, которые необходимы для выполнения высокоточного анализа мощности. Проблема в том, что инструменты авторизации мощности предназначены для обработки тысяч циклов, а не миллионов и, безусловно, не миллиардов. Требуется новая методология для определения нескольких областей высокой активности при запуске эмуляции и сосредоточения внимания на использовании только этих окон для анализа мощности (рис. 1).

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 1. Анализ мощности с использованием стеклоподъемников (Источник:Synopsys)

Переход к программному анализу мощности

Первое требование к потоку, показанному на рисунке 1, состоит в том, чтобы эмулятор создавал профиль, показывающий, какие части проекта активны с течением времени. Этот профиль активности можно просмотреть в виде графика в средстве просмотра сигналов или другом инструменте отладки оборудования. Поскольку отключение питания не может быть выполнено в миллиардах циклов, следующим шагом для пользователей является использование профиля активности для определения одного или нескольких критических окон, в течение которых активность является максимальной, а потребление энергии, вероятно, также будет самым высоким. Если каждое из этих окон находится в миллионах циклов, его можно использовать для следующего этапа анализа мощности. В качестве эталона эмулятор должен быть в состоянии создать профиль активности для одного миллиарда циклов рабочей нагрузки программного обеспечения за три часа.