Joulesを用いた冗長電力解析による消費電力削減対策のご紹介
設計課題の一つである消費電力削減
消費電力削減は現在も変わらない大きな設計課題のひとつですが、プロセス進化に伴い、その重みは増してきており、様々な手法が採用されています。アーキテクチャ設計段階では、多電源設計や電源遮断といった技術が広く適用されてきており、低消費電力化言語としてのCPFやIEEE1801(UPF) も定着してきています。RTL設計段階においては、クロックゲーティング挿入による電力削減手法は良く知られている技術です。如何に効率良くクロックゲーティング挿入するかが重要なポイントとなり、場合によっては逆に消費電力が増加してしまう可能性もあります。インプリメンテーション設計段階では、タイミングとエリア、パワーのトレードオフを考慮しLow-VTHセルの使用を抑えることによるリーク電力削減、回路中のトグルを抑える回路構成を生成する事によるダイナミック電力削減、といった技術も適用されています。
本記事ではJoules™ RTL Power Solution(以下Joules)の特徴的な機能である冗長クロックトグル解析手法を用いた電力削減ポイントを提示するIdeal Power解析機能、及びODC (Observability Don’t Care) と呼ばれる解析手法を用いた冗長トグルを止めるポイントを提示する機能についてご紹介します。
Ideal Power解析機能
Ideal Power解析ではシミュレーションパターンを入力し、冗長クロックによる冗長消費電力解析を行い、効果的なクロックゲーティング挿入のアドバイスとなるレポートを出力します。図1の冗長トグル波形の例では、QCというレジスタに注目するとクロック動作10サイクルの内、2回のみのデータ変化となり、8回分は冗長クロックとなり、そこで発生する電力は冗長電力となります。図2では各レジスタのクロック効果率をまとめており、QCというレジスタがQA,QBと比べクロック効果率が低いことが分かります。このように冗長クロックが大きいレジスタに注目し、優先的に対策を講じることで効率的なクロックゲーティング挿入、電力削減が可能となります。
電力プロット図(図3)は上の赤線が実測電力、下の緑線が冗長電力成分を取り除いた理想電力の波形となります。ここで見える電力差分が冗長クロック対策(クロックゲーティング挿入)により、削減可能な電力値となります。Joulesでは冗長電力の大きいレジスタから順番にレポートされるため、上位から対策を講じる事で効率良く電力削減が行えます。また、電力削減達成目標に向けてどの程度の対策を講じる必要があるか、など作業工数見積もりも容易に可能となります(図4電力削減効果プロット図)。
詳細解析においてはレポートファイルだけではなく、GUIを利用した解析機能も充実しています。該当レジスタからスケマティック図や波形表示により視覚的な解析作業が可能となり、さらにRTLソースコードとのリンクが取れているので、クロックゲーティング挿入の為のイネーブル信号追加箇所の探索も容易に行えます。
Ideal Power解析機能の採用により、削減電力ターゲットに対して20%程度の電力削減余地を見つけ出すことが出来たなど、適用事例の報告も増えています。是非、電力削減対策の一つとしてJoulesのIdeal Power解析機能をご検討ください。
ODCによる電力削減解析機能
Joulesの電力削減解析機能はますます進化しています。上記のレジスタ冗長クロック解析だけではなく、Sequential Clock Gating(図6)及びLogic Gating(図8)構造解析機能もサポートしており、さらなる消費電力削減対策を可能とします。図6ではレジスタREG1とREG2の出力がMUXの選択信号が0の場合、MUXの後段までデータが伝搬しない回路構造となっており、REG1, REG2の出力動作が冗長トグルとなります。このような回路構造を探索し、クロックゲーティング挿入の為のイネーブル信号候補を提示することが可能です(図7)。図8ではMUXの選択信号が0の場合、選択信号が1の場合の前段ロジック部のトグルが冗長となる回路構造となり、このような回路構造も同様に探索し、回避方法を提示することも可能です(図9)。
まとめ
設計課題のひとつである消費電力削減の実現に向け、Joulesは豊富な電力削減解析機能を備えています。また、ケイデンスの論理合成ツールであるGenus™ Synthesis Solutionとのインテグレーションも進められており、Joulesの電力解析エンジンとの融合による論理合成時の自動電力削減にも是非ご期待ください。
フィールドエンジニアリング&サービス本部
デジタル&サインオフ
高畠 剛
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Joulesはその他さまざまな機能をサポートしております。以下のリンク先も是非ご覧ください。
【高精度なRTL電力解析による効果的な電力削減環境の実現】https://www.cadence.com/japan/archive/soconline/vol21/tech/tech_1.html
【Palladium-Joulesによる高速・高精度なシステムレベルパワー解析の実現】https://www.cadence.com/ja_JP/home/soc/2018/oct/volume28/issue2.html
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