Analyse de puissance basée sur le logiciel

Le pouvoir a tendance à coûter; la puissance élevée coûte très cher. Cette adaptation plutôt forcée de la célèbre citation de Lord Acton capture deux aspects importants de la conception des semi-conducteurs et de la consommation d'énergie. En regardant la consommation d'énergie moyenne au fil du temps, il est clair qu'une puce à forte consommation d'énergie entraînera des coûts élevés. Dans les appareils portables, plus de puissance signifie soit des batteries plus grosses et plus chères, soit une durée de vie de la batterie raccourcie. De plus, plus de puissance signifie un emballage plus avancé et plus coûteux pour dissiper la chaleur résultante. Ces trois facteurs ont également un effet d'entraînement sur les coûts en termes de prix des produits, de marges bénéficiaires et de probabilité de succès sur le marché.

Les préoccupations concernant la consommation d'énergie s'étendent bien au-delà des appareils portables qui fonctionnent au moins une partie du temps sur piles. Les appareils à alimentation murale entraînent également des coûts supplémentaires en termes d'emballage, d'alimentation et de systèmes de distribution d'énergie. Ces mêmes problèmes s'étendent jusqu'aux fermes de serveurs, avec leurs racks ou serveurs de calcul, leurs baies de stockage de données massives et leurs commutateurs réseau. Les coûts d'exploitation des fermes de serveurs sont énormes; des études ont montré que les factures d'électricité dépassent le prix du matériel lui-même sur la durée de vie de chaque serveur. Les fermes de serveurs peuvent être situées à proximité de barrages hydroélectriques ou de panneaux solaires massifs dans le but de répondre à leurs exigences élevées. Certains emplacements doivent également respecter les « lois vertes » qui régulent la consommation électrique des serveurs.

Dans le haut de gamme, une consommation électrique excessive peut nécessiter des systèmes de refroidissement liquide qui ajoutent une infrastructure énorme et les coûts associés. Pour toutes ces raisons, la réduction de la consommation électrique moyenne est un objectif dans presque tous les projets de semi-conducteurs, quel que soit le marché final. Lorsque l'on considère la puissance de crête, la réduction peut être un besoin critique plutôt qu'un simple objectif. Certaines puces sont conçues pour que seules certaines portions puissent fonctionner en même temps. Dans de tels cas, l'activation de toutes les fonctionnalités peut nécessiter une consommation de courant supérieure à ce que l'appareil peut gérer, entraînant une panne thermique et des dommages permanents.

Les défis de l'analyse du pouvoir

Compte tenu de toutes les motivations pour limiter la consommation d'énergie, l'industrie a développé une grande variété de techniques de conception à faible consommation. Celles-ci vont des réglages de circuits au niveau de la configuration à la gestion de l'alimentation logicielle au niveau du système, sensible aux applications. Quelles que soient les techniques utilisées, il est très précieux de pouvoir évaluer avec précision leur impact en estimant à la fois la consommation électrique moyenne et crête lors de la conception et de la vérification de la puce en cours de développement. Il est inacceptable d'attendre après la fabrication pour constater que la puissance moyenne est trop élevée pour un produit viable ou que la consommation de puissance maximale détruit la puce. Une analyse efficace de la puissance pré-silicium, de préférence à plusieurs étapes du projet, est requise.

L'approche traditionnelle de l'analyse de puissance de l'industrie de la conception électronique et de l'automatisation repose sur la simulation. La vérification fonctionnelle de la puce implique le développement d'un banc d'essai, puis l'écriture ou la génération d'une série de tests qui vérifient chaque fonction ou caractéristique de la conception de la puce. Il est relativement simple de simuler l'ensemble de la suite de tests, ou peut-être seulement une partie représentative, et d'intégrer les résultats dans un outil d'approbation de puissance traditionnel. Étant donné que la majeure partie de la consommation d'énergie se produit uniquement lorsque les circuits changent d'état, le simulateur peut fournir un fichier d'activité de commutation à un outil d'approbation d'alimentation. Lorsqu'il est combiné avec les caractéristiques de puissance de la bibliothèque pour la technologie cible, l'outil peut fournir une estimation assez précise de la consommation électrique moyenne et maximale.

Cette précision, cependant, est entièrement relative aux tests qui sont exécutés en simulation. En pratique, aucune suite de tests de vérification n'est représentative du fonctionnement de la puce avec le logiciel de production en cours d'exécution. Les tests conçus pour la vérification fonctionnelle, intentionnellement, se concentrent sur la stimulation uniquement des domaines de la conception nécessaires à la fonctionnalité ciblée. Les bancs d'essai aléatoires contraints peuvent générer plus d'activité parallèle, mais il est encore peu probable qu'ils modélisent une utilisation dans le monde réel. Une analyse de puissance vraiment précise ne peut être effectuée qu'en utilisant l'activité de commutation à partir de charges de travail logicielles réelles, y compris les applications utilisateur s'exécutant sur un système d'exploitation (OS).

Il faut généralement quelques milliards de cycles d'horloge pour démarrer un système d'exploitation, démarrer les services système et exécuter des applications. Ce serait complètement peu pratique à exécuter en simulation. En revanche, les émulateurs exécutent régulièrement des milliards de cycles, du démarrage du système d'exploitation à plusieurs applications utilisateur exécutées en parallèle. L'émulation exerce exactement le type de charges de travail logicielles réelles nécessaires pour effectuer une analyse de puissance de haute précision. Le défi est que les outils d'approbation de puissance sont conçus pour gérer des milliers de cycles, pas des millions, et certainement pas des milliards. Une nouvelle méthodologie est nécessaire pour identifier quelques zones de forte activité dans l'exécution d'émulation et se concentrer sur l'utilisation de ces fenêtres uniquement pour l'analyse de puissance (Figure 1).

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Figure 1. Analyse de puissance à l'aide de vitres électriques (Source :Synopsys)

Passage à l'analyse de puissance pilotée par logiciel

La première exigence pour le flux illustré à la figure 1 est que l'émulateur produise un profil montrant quelles parties de la conception sont actives au fil du temps. Ce profil d'activité peut être visualisé sous forme de graphique dans un visualiseur de forme d'onde ou un autre outil de débogage matériel. Étant donné que l'approbation de l'alimentation ne peut pas être effectuée sur des milliards de cycles, l'étape suivante consiste pour les utilisateurs à tirer parti du profil d'activité pour identifier une ou plusieurs fenêtres critiques en matière d'alimentation pendant lesquelles l'activité est la plus élevée et la consommation d'énergie est susceptible d'être également la plus élevée. Si chacune de ces fenêtres est dans les millions de cycles, elle peut être utilisée pour la prochaine étape de l'analyse de puissance. À titre de référence, l'émulateur devrait être capable de produire un profil d'activité pour un milliard de cycles de charge de travail logicielle en trois heures.