Een team van onderzoekers van NUS heeft een nieuwe klasse van herconfiguratietechnieken uitgevonden die adaptief zowel het minimale stroomverbruik als de maximale prestaties van digitale circuits uitbreidt, veel verder dan gewone spanningsschaling. Door een dergelijke uitgebreide aanpassing kunnen digitale siliciumchips tijdens normaal gebruik op een lager vermogen werken, en indien nodig op een hoger prestatieniveau.

Dit verlengt de levensduur van de batterij bij onzekere stroombeschikbaarheid in systemen die worden aangedreven door oogstmachines (bijv. zonnecel) of oplaadbare batterijen, terwijl het leveren van hogere piekprestaties voor het uitvoeren van on-chip data-analyses bij het optreden van interessante gebeurtenissen. Dit is een belangrijke enabler voor toepassingen zoals Internet of Things (IoT), kunstmatige intelligentie (AI), wearables en biomedische apparaten.

"Onze herconfiguratietechnieken introduceren ongekende aanpasbaarheid aan fluctuerende stroombeschikbaarheid en prestatievraag. Vergeleken met de industriestandaard spanningsschalingstechniek, metingen op verschillende testchips in ons laboratorium hebben aangetoond dat een dergelijke aanpassing de levensduur van de batterij van een mobiel of draagbaar apparaat met 1,5 keer verlengt, terwijl de piekprestaties worden verdubbeld. Onze technieken kunnen ook worden gebruikt om de batterij verder te miniaturiseren met dezelfde factor, met behoud van dezelfde levensduur van de batterij, " verklaarde universitair hoofddocent Massimo Alioto van NUS Engineering. Hij is de leider van de NUS Green IC Group die achter deze technologische doorbraak zit.

Hij voegde toe, "Als bijkomend voordeel de veelzijdigheid van onze circuittechnieken op het gebied van vermogen en prestaties stelt halfgeleiderbedrijven in staat hun chipportfolio te vereenvoudigen en de ontwerpkosten te verlagen, omdat hetzelfde digitale ontwerp kan worden hergebruikt in een breed scala aan toepassingen en markten."

De voorgestelde technieken hebben geleid tot de demonstratie van versnellers en processors (bijvoorbeeld Snelle Fourier-transformatie, ARM-processors) met een tot nu toe gerapporteerd minimaal energieverbruik. Het onderzoek achter de nieuwe technieken is ondersteund door toonaangevende halfgeleiderbedrijven (Intel, TSMC), evenals het Singaporese ministerie van Onderwijs en de National Research Foundation van Singapore.

Aanpassing van gegevens en klokpad:zowel een laag minimaal stroomverbruik als hogere piekprestaties bereiken

Meest geavanceerde mobiele, IoT- en AI-toepassingen vereisen een flexibele en brede afweging tussen het gemiddelde vermogen (d.w.z. batterijduur), en de maximale prestatie die het reactievermogen van het systeem bepaalt (bijv. wanneer het scherm wordt aangeraakt, of het uitvoeren van gegevensanalyse wanneer een sensor interessante gegevens produceert).

Momenteel, dynamische spanningsschaling is de gouden standaard om dergelijke flexibiliteit mogelijk te maken. Werken bij spanningen rond 1 V leidt tot maximale prestaties en energieverbruik, terwijl reductie tot 0,4-0,5 V het energieverbruik vier tot vijf keer verlaagt en de werksnelheid met bijna 10 keer vertraagt. Het nadeel van deze benadering is dat spanningsschaling over het algemeen van toepassing is op een vaste digitale architectuur, hoewel de optimale architectuur voor energieverbruik en prestaties afhankelijk is van de aangenomen spanning.

De NUS-uitvinding presteert beter dan spanningsschaling, omdat de herconfiguratie van het circuit een betere afstemming tussen de architectuur en de aangenomen spanning mogelijk maakt, en dus kan een verdere vermindering van het energieverbruik en verbeteringen in de prestaties bij verschillende spanningen worden bereikt.

Universitair hoofddocent Alioto zei:"Onze uitvinding maakt herconfiguratie mogelijk van zowel het "gegevenspad" waar de eigenlijke verwerking wordt uitgevoerd, en het "klokpad" dat het kloksignaal verdeelt om de verschillende verwerkingstaken te orkestreren. In beide gevallen, hun fundamentele bouwstenen kunnen flexibel worden samengevoegd of gesplitst om de gegevens- en klokpadstructuur te creëren die de energie-efficiëntie of prestaties bij een bepaalde spanning verbetert."

In vergelijking met conventionele spanningsschaling, de door de NUS Green IC-groep voorgestelde aanpak maakt digitale circuits veelzijdiger en adaptiever, waardoor gelijktijdige optimalisatie aan beide uiteinden van het vermogens-prestatiespectrum mogelijk is.

Technisch boek en een complete toolchain openbaar beschikbaar

Om de voordelen van de nieuwe techniek van het team te delen met zowel de industrie als onderzoeksgroepen wereldwijd, er is onlangs een technisch boek uitgebracht om de achtergrond en details te geven van de implementatie van siliciumchips van processors, versnellers en geheugens op de chip. Er is ook een geautomatiseerde ontwerpstroom gemaakt en openbaar vrijgegeven via GitHub (ga naar www.green-ic.org/).

"In ons boek we hebben ontwerpmethodologieën geïntroduceerd en gedemonstreerd met uitsluitend commerciële ontwerptools, die zijn geïntegreerd in een samenhangende ontwerpstroom waarbij de herconfiguratie van de klok en het gegevenspad op een plug-and-play-manier is opgenomen. We zijn verheugd om de softwarecode op een open-source manier te delen om massale en snelle acceptatie van onze nieuwe technieken in de commerciële sector en in academisch onderzoek mogelijk te maken, ", zegt universitair hoofddocent Alioto.

Volgende stappen

Het NUS-onderzoeksteam onderzoekt nu de ontwikkeling van nieuwe klassen van intelligente siliciumsystemen die ultrabrede aanpassing van de vermogensprestaties mogelijk maken in AI-versnellers die zijn ingebed in het detecteren van siliciumchips voor IoT. Dit zal leiden tot systemen van de volgende generatie die altijd beschikbaar zijn, terwijl het in staat is om snel te reageren op externe gebeurtenissen met zeer aanzienlijke rekenprestaties.

In hun werk, het team streeft ernaar om de vermogensprestaties aan te passen door middel van drop-in-technieken en ontwerpmethodologieën in bestaande systeemarchitecturen. Dit maakt het bereiken van voordelen op het gebied van energieprestaties mogelijk zonder het ontwerpecosysteem te verstoren, waardoor een snelle en massale adoptie van intelligente systemen van de volgende generatie mogelijk wordt.