La compuerta de energía es una técnica utilizada en el diseño de circuitos integrados para reducir el consumo de energía , cortando la corriente a los bloques del circuito que no están en uso. Además de reducir la potencia de fuga o de reserva , la activación de la puerta tiene la ventaja de permitir las pruebas Iddq .
Descripción general
La compuerta de energía afecta la arquitectura de diseño más que la compuerta de reloj . Aumenta los retrasos de tiempo, ya que los modos controlados por energía deben ingresarse y salir de manera segura. Existen compensaciones arquitectónicas entre el diseño de la cantidad de ahorro de energía de fuga en los modos de baja potencia y la disipación de energía para entrar y salir de los modos de baja potencia. El apagado de los bloques se puede lograr mediante software o hardware. El software del controlador puede programar las operaciones de apagado. Se pueden utilizar temporizadores de hardware. Un controlador de administración de energía dedicado es otra opción.
Una fuente de alimentación conmutada externamente es una forma muy básica de control de potencia para lograr una reducción de la potencia de fuga a largo plazo. Para apagar el bloque durante pequeños intervalos de tiempo, la compuerta de energía interna es más adecuada. Los interruptores CMOS que proporcionan energía a los circuitos están controlados por controladores de activación de energía. Las salidas del bloque de alimentación se descargan lentamente. Por lo tanto, los niveles de voltaje de salida pasan más tiempo en el nivel de voltaje umbral. Esto puede provocar una mayor corriente de cortocircuito.
La compuerta de energía utiliza transistores PMOS de baja fuga como interruptores de encabezado para apagar las fuentes de alimentación a partes de un diseño en modo de espera o suspensión. Los interruptores de pie de página NMOS también se pueden utilizar como transistores de suspensión. La inserción de los transistores de suspensión divide la red de energía del chip en una red de energía permanente conectada a la fuente de alimentación y una red de energía virtual que impulsa las celdas y se puede apagar.
Por lo general, los transistores de suspensión de alto Vt se utilizan para el control de potencia, en una técnica también conocida como CMOS de umbral múltiple (MTCMOS). El tamaño del transistor de suspensión es un parámetro de diseño importante.
La calidad de esta compleja red de energía es fundamental para el éxito de un diseño de control de energía. Dos de los parámetros más críticos son la caída de IR y las penalizaciones en el área de silicio y los recursos de enrutamiento. La compuerta de energía se puede implementar utilizando enfoques basados en células o grupos (o de grano fino) o un enfoque distribuido de grano grueso.
Parámetros
La implementación de Power Gating tiene consideraciones adicionales para la implementación del cierre temporal. Los siguientes parámetros deben ser considerados y sus valores elegidos cuidadosamente para una implementación exitosa de esta metodología. [1] [2]
- Tamaño de la puerta de alimentación : el tamaño de la puerta de alimentación debe seleccionarse para manejar la cantidad de corriente de conmutación en un momento dado. La puerta debe ser más grande para que no haya una caída de voltaje (IR) medible debido a la puerta. Como regla general, el tamaño de la puerta se selecciona para que sea aproximadamente 3 veces la capacitancia de conmutación. Los diseñadores también pueden elegir entre la puerta de encabezado (P-MOS) o pie de página (N-MOS). Por lo general, las puertas de pie de página tienden a tener un área más pequeña para la misma corriente de conmutación. Las herramientas de análisis de potencia dinámica pueden medir con precisión la corriente de conmutación y también predecir el tamaño de la puerta de potencia.
- Tasa de variación del control de la puerta : en la activación de la alimentación, este es un parámetro importante que determina la eficiencia de la activación de la alimentación. Cuando la velocidad de respuesta es grande, se necesita más tiempo para apagar y encender el circuito y, por lo tanto, puede afectar la eficiencia del control de potencia. La velocidad de respuesta se controla mediante el almacenamiento en búfer de la señal de control de puerta.
- Capacitancia de conmutación simultánea : esta importante restricción se refiere a la cantidad de circuito que se puede conmutar simultáneamente sin afectar la integridad de la red eléctrica. Si una gran cantidad del circuito se conmuta simultáneamente, la "corriente de pico" resultante puede comprometer la integridad de la red eléctrica. El circuito debe conmutarse por etapas para evitar esto.
- Fugas en la compuerta de energía : dado que las compuertas de energía están hechas de transistores activos, la reducción de fugas es una consideración importante para maximizar el ahorro de energía.
Métodos
Puerta de poder de grano fino
Agregar un transistor de suspensión a cada celda que se va a apagar impone una penalización de área grande, y la activación individual de la potencia de cada grupo de celdas crea problemas de sincronización introducidos por la variación de voltaje entre grupos que son difíciles de resolver. La compuerta de potencia de grano fino encapsula el transistor de conmutación como parte de la lógica de celda estándar. Los transistores de conmutación están diseñados por el proveedor de IP de la biblioteca o el diseñador de celdas estándar. Por lo general, estos diseños de celda se ajustan a las reglas de celda estándar normales y pueden manejarse fácilmente con herramientas EDA para su implementación.
El tamaño del control de la puerta está diseñado considerando el peor de los casos que requerirá que el circuito cambie durante cada ciclo de reloj, lo que resultará en un impacto de área enorme. Algunos de los diseños recientes implementan la compuerta de potencia de grano fino de forma selectiva, pero solo para las celdas de bajo Vt. Si la tecnología permite múltiples bibliotecas de Vt, el uso de dispositivos de bajo Vt es mínimo en el diseño (20%), por lo que se puede reducir el impacto del área. Cuando se utilizan puertas de potencia en las celdas de Vt bajo, la salida debe aislarse si la siguiente etapa es una celda de Vt alto. De lo contrario, puede hacer que la celda vecina de alto Vt tenga fugas cuando la salida pase a un estado desconocido debido a la activación de la alimentación.
La restricción de la velocidad de respuesta del control de puerta se logra al tener un árbol de distribución de búfer para las señales de control. Los búferes deben elegirse de un conjunto de búferes siempre activos (búferes sin la señal de control de puerta) diseñados con celdas de alto Vt. La diferencia inherente entre cuando una celda se apaga con respecto a otra, minimiza el pico de corriente durante el encendido y apagado.
Por lo general, el transistor de activación está diseñado como un dispositivo de alto Vt. La compuerta de potencia de grano grueso ofrece una mayor flexibilidad al optimizar las celdas de compuerta de energía donde hay poca actividad de conmutación. La optimización de las fugas debe realizarse en el nivel de grano grueso, cambiando la celda de baja fuga por la de alta fuga. La compuerta de potencia de grano fino es una metodología elegante que da como resultado una reducción de fugas de hasta 10 veces. Este tipo de reducción de potencia lo convierte en una técnica atractiva si el requisito de reducción de potencia no se satisface únicamente con la optimización de múltiples Vt.
Compuerta eléctrica de grano grueso
El enfoque de grano grueso implementa los transistores de suspensión de estilo de cuadrícula que impulsa las células localmente a través de redes de energía virtuales compartidas. Este enfoque es menos sensible a la variación de PVT, introduce menos variación de caída de IR e impone una sobrecarga de área más pequeña que las implementaciones basadas en celdas o grupos. En la compuerta de energía de grano grueso, el transistor de compuerta de energía es una parte de la red de distribución de energía en lugar de la celda estándar.
Hay dos formas de implementar una estructura de grano grueso:
- Basado en anillo : las puertas de energía se colocan alrededor del perímetro del módulo que se apaga como un anillo. Se utilizan celdas especiales en las esquinas para convertir las señales de potencia en las esquinas.
- Basado en columnas : las puertas de energía se insertan dentro del módulo con las celdas colindantes entre sí en forma de columnas. El poder global son las capas superiores de metal, mientras que el poder conmutado está en las capas inferiores.
El tamaño de la puerta depende de la corriente de conmutación general del módulo en un momento dado. Dado que solo una fracción de los circuitos conmuta en cualquier momento, los tamaños de las puertas de potencia son más pequeños en comparación con los interruptores de grano fino. La simulación de potencia dinámica utilizando vectores del peor de los casos puede determinar la conmutación del peor de los casos para el módulo y, por lo tanto, el tamaño. La caída de IR también se puede incluir en el análisis. La capacitancia de conmutación simultánea es una consideración importante en la implementación de la puerta de potencia de grano grueso. Para limitar la conmutación simultánea, los búferes de control de puerta se pueden conectar en cadena y se pueden usar contadores especiales para activar selectivamente bloques de interruptores.
Celdas de aislamiento
Las celdas de aislamiento se utilizan para evitar la corriente de cortocircuito. Como sugiere el nombre, estas celdas aíslan el bloque con compuerta de energía del bloque normalmente encendido. Las celdas de aislamiento están especialmente diseñadas para corrientes de cortocircuito bajas cuando la entrada está en el nivel de voltaje umbral. Las señales de control de aislamiento son proporcionadas por el controlador de puerta de potencia. El aislamiento de las señales de un módulo conmutable es esencial para preservar la integridad del diseño. Por lo general, una lógica simple O o Y puede funcionar como un dispositivo de aislamiento de salida. En la práctica, existen varios esquemas de retención de estados para preservar el estado antes de que se apague un módulo. La técnica más simple es escanear los valores de registro en una memoria antes de apagar un módulo. Cuando el módulo se activa, los valores se escanean desde la memoria.
Registros de retención
Cuando se usa la activación de la puerta, el sistema necesita alguna forma de retención de estado, como escanear datos a una RAM y luego escanearlos nuevamente cuando el sistema se reactiva. Para aplicaciones críticas, los estados de la memoria deben mantenerse dentro de la celda, una condición que requiere un flop de retención para almacenar bits en una tabla. Eso hace posible restaurar los bits muy rápidamente durante la activación. Los registros de retención son flip-flops especiales de baja fuga que se utilizan para almacenar los datos de los registros principales del bloque de alimentación. Por lo tanto, el estado interno del bloque durante el modo de apagado se puede retener y volver a cargar cuando se reactiva el bloque. Los registros de retención siempre están activados. La estrategia de retención depende del diseño. Un controlador de puerta de energía controla el mecanismo de retención, como cuándo guardar el contenido actual del bloque de puerta de energía y cuándo restaurarlo.
Ver también
Referencias
- ^ Síntesis de red de energía práctica para diseños de puerta de energía, 11/01/2008
- ^ Anand Iyer, "Desmitificar la compuerta de energía y detener las fugas en frío", Cadence Design Systems, Inc., 01/11/2008, [1]
- De-Shiuan Chiou, Shih-Hsin Chen, Chingwei Yeh, "Timing powered power gating", Actas de la 43ª conferencia anual sobre automatización del diseño, ACM Special Interest Group on Design Automation, págs. 121-124, 2006
- http://asic-soc.blogspot.com/2008/04/power-gating.html