Giver batteridrevne siliciumchips mulighed for at arbejde hurtigere og længere

Et team af forskere fra NUS har opfundet en ny klasse af rekonfigurationsteknikker, der adaptivt forlænger både det minimale strømforbrug og den maksimale ydelse af digitale kredsløb, langt ud over almindelig spændingsskalering. En sådan udvidet tilpasning tillader digitale siliciumchips at fungere ved lavere effekt under normal brug, og på højere ydelsesniveau, når det er nødvendigt.

Dette forlænger batteriets levetid under usikker strømtilgængelighed i systemer, der drives af høstmaskiner (f.eks. Solceller) eller genopladelige batterier, samtidig med at den leverer en højere spidseffekt til at udføre on-chip dataanalyse ved forekomsten af ​​begivenheder af interesse. Dette er en vigtig mulighed for applikationer såsom Internet of Things (IoT), kunstig intelligens (AI), wearables og biomedicinsk udstyr.

"Vores omkonfigurationsteknikker introducerer en hidtil uset tilpasningsevne til svingende strømtilgængelighed og krav til ydelse. Sammenlignet med branchestandardspændingskaleringsteknikken, målinger på flere testchips i vores laboratorium har vist, at en sådan tilpasning forlænger batterilevetiden for en mobil eller bærbar enhed med 1,5 gange, samtidig med at fordobling af topydelsen. Vores teknikker kan også bruges til at minimere batteriet yderligere med den samme faktor, samtidig med at den samme batterilevetid bevares, "forklarede lektor Massimo Alioto fra NUS Engineering. Han er leder for NUS Green IC Group, der står bag dette teknologiske gennembrud.

Han tilføjede, "Som en yderligere fordel, kraft-ydeevnen alsidighed i vores kredsløbsteknikker gør det muligt for halvledervirksomheder at forenkle deres chipportefølje og reducere designomkostningerne, da det samme digitale design kan genbruges på tværs af en lang række applikationer og markeder. "

De foreslåede teknikker har ført til demonstration af acceleratorer og processorer (f.eks. Hurtig Fourier Transform, ARM -processorer) med et minimalt energiforbrug rapporteret til dato. Forskningen bag de nye teknikker er blevet støttet af førende halvledervirksomheder (Intel, TSMC) samt Singapores undervisningsministerium og National Research Foundation of Singapore.

Tilpasning af data og urbane:Opnåelse af både lavt minimalt strømforbrug og højere spidseffekt

Mest avancerede mobil, IoT- og AI-applikationer kræver en fleksibel og bred afvejning mellem den gennemsnitlige effekt (dvs. batteri liv), og den maksimale ydelse, der bestemmer systemets lydhørhed (f.eks. når skærmen berøres, eller udføre dataanalyse, når en sensor producerer data af interesse).

I øjeblikket, dynamisk spændingsskala er guldstandarden for at muliggøre en sådan fleksibilitet. Drift ved spændinger omkring 1 V fører til maksimal ydelse og energiforbrug, hvorimod reduktion ned til 0,4-0,5 V sænker energiforbruget med fire til fem gange og sænker driftshastigheden med næsten 10 gange. Ulempen ved denne tilgang er, at spændingsskalering generelt gælder for en fast digital arkitektur, selvom den optimale arkitektur for energiforbrug og ydelse afhænger af den vedtagne spænding.

NUS -opfindelsen udkonkurrerer spændingsskalering, da dens kredsløbsomkonfiguration muliggør et bedre match mellem arkitekturen og den vedtagne spænding, og dermed kan der opnås yderligere reduktion i energiforbrug og forbedringer i ydelse ved forskellige spændinger.

Lektor Alioto sagde, "Vores opfindelse muliggør rekonfiguration af både" datastien ", hvor den faktiske behandling udføres, og "urbanen", der distribuerer urets signal til orkestrering af de forskellige behandlingsopgaver. I begge tilfælde, deres grundlæggende byggesten er fusioneret eller delt fleksibelt for at skabe data- og urbanestrukturen, der forbedrer enten energieffektivitet eller ydeevne ved en given spænding. "

Sammenlignet med konventionel spændingsskalering, tilgangen foreslået af NUS Green IC -gruppen gør digitale kredsløb mere alsidige og adaptive, muliggør samtidig optimering i begge ender af power-performance spektret.

Teknisk bog og en komplet værktøjskæde offentligt tilgængelig

For at dele fordelene ved teamets nye teknik med både industri og forskningsgrupper verden over, en teknisk bog er for nylig udgivet for at give baggrunden og detaljerne for siliciumchip -implementering af processorer, acceleratorer og on-chip-minder. Der er også oprettet et automatisk designflow og offentliggjort over GitHub (Besøg www.green-ic.org/).

"I vores bog, vi introducerede og demonstrerede designmetoder ved udelukkende at bruge kommercielle designværktøjer, som er integreret i et sammenhængende designflow, hvor rekonfiguration af ur og datasti er inkorporeret på en plug-and-play måde. Vi er glade for at dele softwarekoden på en open source-måde for at muliggøre massiv og hurtig anvendelse af vores nye teknikker i den kommercielle sektor og i akademisk forskning, "kommenterede lektor Alioto.

Næste skridt

NUS-forskergruppen undersøger nu at udvikle nye klasser af intelligente siliciumsystemer, der tillader ultra-bred effektydelse tilpasning i AI-acceleratorer indlejret i sensing af siliciumchips til IoT. Dette vil føre til næste generations systemer, der altid er tilgængelige, samtidig med at de hurtigt kan reagere på eksterne begivenheder med meget betydelig beregningsydelse.

I deres arbejde, teamet bestræber sig på at muliggøre power-performance tilpasning gennem drop-in teknikker og designmetoder i eksisterende systemarkitekturer. Dette tillader opnåelse af effektydelse uden at forstyrre designøkosystemet, hvilket muliggør en hurtig og massiv anvendelse af næste generations intelligente systemer.