소프트웨어 기반 전력 분석

전력에는 비용이 드는 경향이 있습니다. 높은 전력 비용이 많이 듭니다. 액튼 경의 유명한 인용문을 다소 강제로 적용한 것은 반도체 설계와 전력 소비의 두 가지 중요한 측면을 포착합니다. 시간 경과에 따른 평균 전력 소비를 살펴보면 전력 소모가 높은 칩에 높은 비용이 발생한다는 것이 분명합니다. 휴대용 장치에서 더 많은 전력은 더 크고 더 비싼 배터리를 의미하거나 배터리 수명을 단축시킵니다. 또한, 더 많은 전력은 결과적인 열을 발산하기 위해 더 고급화되고 더 비싼 패키징을 의미합니다. 이 세 가지 요소는 또한 제품 가격, 이윤, 시장에서의 성공 가능성 측면에서 파급 효과 비용이 있습니다.

전력 소비에 대한 우려는 적어도 일부 시간 동안 배터리로 작동하는 휴대용 장치를 훨씬 능가합니다. 벽면 전원 장치는 패키징, 전원 공급 장치 및 배전 시스템 측면에서도 추가 비용이 발생합니다. 이와 동일한 문제는 랙 또는 컴퓨팅 서버, 대규모 데이터 스토리지 어레이 및 네트워크 스위치가 있는 서버 팜까지 확장됩니다. 서버 팜의 운영 비용은 엄청납니다. 연구에 따르면 전력 비용은 각 서버의 수명 동안 하드웨어 자체 가격을 초과합니다. 서버 팜은 높은 수요를 충족시키기 위해 수력 발전 댐이나 대규모 태양열 어레이 근처에 위치할 수 있습니다. 일부 위치는 서버 전력 소모를 규제하는 "녹색 법률"도 충족해야 합니다.

하이 엔드에서 과도한 전력 소비는 막대한 인프라와 관련 비용을 추가하는 액체 냉각 시스템을 필요로 할 수 있습니다. 이러한 모든 이유로 평균 전력 소비를 줄이는 것은 최종 시장에 관계없이 거의 모든 반도체 프로젝트의 목표입니다. 최대 전력을 고려할 때 감소는 단순한 목표가 아니라 중요한 요구 사항일 수 있습니다. 일부 칩은 특정 부분만 동시에 실행되도록 설계되었습니다. 이러한 경우 모든 기능을 켜면 장치가 처리할 수 있는 것보다 더 많은 전류가 소모되어 열 고장 및 영구적 손상이 발생할 수 있습니다.

힘 분석의 과제

전력 소비를 제한하려는 모든 동기를 감안할 때 업계에서는 다양한 저전력 설계 기술을 개발했습니다. 여기에는 레이아웃 수준의 회로 조정에서 시스템 수준의 애플리케이션 인식 소프트웨어 기반 전원 관리에 이르기까지 다양합니다. 어떤 기술을 사용하든 개발 중인 칩의 설계 및 검증 중에 평균 및 최대 전력 소비를 모두 추정하여 기술의 영향을 정확하게 평가할 수 있다는 것은 매우 중요합니다. 평균 전력이 실행 가능한 제품에 비해 너무 높거나 최대 전력 소비가 칩을 파괴한다는 사실을 알기 위해 제조 후까지 기다리는 것은 용납될 수 없습니다. 가급적이면 프로젝트의 여러 단계에서 효과적인 사전 실리콘 전력 분석이 필요합니다.

전력 분석에 대한 전자 설계 자동화 산업의 전통적인 접근 방식은 시뮬레이션에 의존합니다. 칩의 기능 검증에는 테스트벤치를 개발한 다음 칩 설계의 각 기능 또는 특징을 확인하는 테스트 모음을 작성하거나 생성하는 작업이 수반됩니다. 전체 테스트 제품군 또는 아마도 대표적인 부분만 시뮬레이션하고 결과를 기존 전원 사인오프 도구에 제공하는 것은 비교적 간단한 문제입니다. 대부분의 전력 소비는 회로가 상태를 전환할 때만 발생하므로 시뮬레이터는 전원 사인오프 도구에 스위칭 활동 파일을 제공할 수 있습니다. 대상 기술에 대한 라이브러리의 전력 특성과 결합하면 이 도구는 평균 및 최대 전력 소비 모두에 대해 상당히 정확한 추정치를 제공할 수 있습니다.

그러나 이 정확도는 전적으로 시뮬레이션에서 실행되는 테스트와 관련이 있습니다. 실제로 모든 검증 테스트 제품군은 프로덕션 소프트웨어가 실행되는 칩 작동을 나타내지 않습니다. 기능 검증을 위해 설계된 테스트는 의도에 따라 대상 기능에 필요한 설계 영역만 자극하는 데 중점을 둡니다. 제약이 있는 무작위 테스트벤치는 더 많은 병렬 활동을 생성할 수 있지만 실제 사용을 모델링할 가능성은 여전히 ​​낮습니다. 정말 정확한 전력 분석은 운영 체제(OS) 위에서 실행되는 사용자 애플리케이션을 포함하여 실제 소프트웨어 워크로드의 스위칭 활동을 통해서만 수행할 수 있습니다.

일반적으로 OS를 부팅하고 시스템 서비스를 시작하고 응용 프로그램을 실행하는 데 수십억 클럭 주기가 걸립니다. 시뮬레이션에서 실행하는 것은 완전히 비실용적입니다. 대조적으로, 에뮬레이터는 OS 부팅에서 병렬로 실행되는 여러 사용자 응용 프로그램에 이르기까지 수십억 주기를 일상적으로 실행합니다. 에뮬레이션은 고정밀 전력 분석을 수행하는 데 필요한 일종의 실제 소프트웨어 워크로드를 실행합니다. 문제는 전원 사인오프 도구가 수백만이 아닌 수천 개의 주기를 처리하도록 설계되었다는 것입니다. 에뮬레이션 실행에서 활동이 많은 몇 가지 영역을 식별하고 전력 분석을 위해 이러한 창만 사용하는 데 집중하려면 새로운 방법론이 필요합니다(그림 1).

더 큰 이미지를 보려면 클릭하십시오.

그림 1. 파워 윈도우를 사용한 전력 분석(출처:Synopsys)

소프트웨어 기반 전력 분석으로 이동

그림 1에 표시된 흐름의 첫 번째 요구 사항은 에뮬레이터가 시간이 지남에 따라 활성화되는 디자인 부분을 보여주는 프로필을 생성하는 것입니다. 이 활동 프로필은 파형 뷰어 또는 기타 하드웨어 디버그 도구 내에서 그래프로 볼 수 있습니다. 전원 사인오프는 수십억 주기로 수행할 수 없으므로 다음 단계는 사용자가 활동 프로필을 활용하여 활동이 가장 높고 전력 소비도 가장 높을 가능성이 있는 하나 이상의 전력 임계 기간을 식별하는 것입니다. 이러한 각 창이 수백만 주기에 있는 경우 다음 단계의 전력 분석에 사용할 수 있습니다. 벤치마크로 에뮬레이터는 3시간 동안 10억 주기의 소프트웨어 워크로드에 대한 활동 프로필을 생성할 수 있어야 합니다.