Energieverbrauch und Verlustleistung

Michael Spiegelmichael.h.spiegel@student.tuwien.ac.at

Hardware/Software Codesign,Technische Universitat Wien

28. November 2016

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Motivation

Enge Energie- bzw. Leistungsbeschrankungen:

Enerqiequelle (z.B. Batteriebetrieb)→ Energiebeschrankung

Elektrische Beschrankungen→ Leistungsbeschrankung

Thermische Beschrankungen (z.B. Kuhlung)→ (Energie-)/Leistungsbeschrankung

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Leistungsobergrenze (”Power Wall“)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Dynam

ic P

ow

er (W

)

D S N S3 S4 S5 S6Smartphone Model

Leistung von SmartphoneSoCs (2009-2015) [8]

1985 1990 1995 2000 2005 2010

1

2

468

10

20

406080

100

200

400600800

1000

Watts

Actual Power Projected Power

Leistung von GP CPUs [10]

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Dynamische Verlustleistung

Energieverbrauch durch Schaltvorgange:

Lade- und Entladevorgange parasitarerKapazitaten:

P ∝ C · V 2dd · f

Transiente Kurzschlusse

VIn

Vdd

VOut

C

Inverter [5]

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Statische Verlustleistung

Leckstrome durch:

Reverse Bias Dioden (Marginal)

Tunneleffekte im Gate-Oxyd

Stromfluss unterTransistorenschwellwert VT

NMOS Transistor [4]

Statische Verlustleistung hat an Bedeutung gewonnen

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Statische Verlustleistung

Leckstrome durch:

Reverse Bias Dioden (Marginal)

Tunneleffekte im Gate-Oxyd

Stromfluss unterTransistorenschwellwert VT

NMOS Transistor [4]

Statische Verlustleistung hat an Bedeutung gewonnen

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 5 / 18

Statische Verlustleistung

Leckstrome durch:

Reverse Bias Dioden (Marginal)

Tunneleffekte im Gate-Oxyd

Stromfluss unterTransistorenschwellwert VT

NMOS Transistor [4]

Statische Verlustleistung hat an Bedeutung gewonnen

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 5 / 18

Statische Verlustleistung

Leckstrome durch:

Reverse Bias Dioden (Marginal)

Tunneleffekte im Gate-Oxyd

Stromfluss unterTransistorenschwellwert VT

NMOS Transistor [4]

Statische Verlustleistung hat an Bedeutung gewonnen

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 5 / 18

Methoden der Energieeinsparung

Auf vielen Ebenen:

Softwaremethoden

:Ausnutzen der Sleep Modi, Scheduling,Compilerunterstutzung, . . .

Hardwarearchitektur

:Spannungsinseln, dynamische Spannungs- undFrequenzanpassung, Clock und PowerGating, . . .

Basistechnologie

:Feature Size, angepassterTransistorschwellwert, Detailoptimierungen, . . .

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 6 / 18

Methoden der Energieeinsparung

Auf vielen Ebenen:

Softwaremethoden:Ausnutzen der Sleep Modi, Scheduling,Compilerunterstutzung, . . .

Hardwarearchitektur:Spannungsinseln, dynamische Spannungs- undFrequenzanpassung, Clock und PowerGating, . . .

Basistechnologie:Feature Size, angepassterTransistorschwellwert, Detailoptimierungen, . . .

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 6 / 18

Optimierung der Transistorschwellwerte

Großerer Schwellwert ↔ Geringere Verluste ↔ Langere Schaltzeiten

Multi Threshold CMOS:Niedriger Schwellwert in Kritischen Pfaden (< 20%)

Variable Threshold Computing:Dynamisches Anpassen des Schwellwerts

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Optimierung der Versorgungsspannung

P ∝ C · V 2dd · f

Geringere Spannung ↔ Geringere Verluste ↔ Langere Schaltzeiten

Spannungsinseln

Dynamische Spannungs- und Frequenzanpassung→ Benotigt meistens SW Unterstutzung

Spannung

t

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Schaltungsteile abschalten

Clock Gating:Status bleibt erhalten

Power Gating:Datenverlust, wenn Flip Flop abgeschaltet

D Q

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Schaltungsteile abschalten

Clock Gating:Status bleibt erhalten

Power Gating:Datenverlust, wenn Flip Flop abgeschaltet

D Q

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 9 / 18

Redundante Hardware

Aufgabenspezifische Hardware (z.B. Protocol Offloads)

Zusatzliche stromsparende Prozessoren

Typisches ARM big.LITTLE System [11]

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Softwaremethoden

Effizienterer Algorithmus

Ausnutzen der Sleep Modi

Optimieren der aktiven Zeit(z.B. uber Frequenzanpassung;Race to Idle)

Heterogenes Multiprocessing

Compiler Optimierungen

Sleep Aufw

achen Aktiv

Sleep

Zeit

Leistung

Leistungsbedarf eines Systems [5]

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Zusammenfassung

Methoden der Energieeinsparung auf vielen Ebenen:

Softwaremethoden:Ausnutzen der Sleep Modi, Scheduling,Compilerunterstutzung, . . .

Hardwarearchitektur:Spannungsinseln, dynamische Spannungs- undFrequenzanpassung, Clock und PowerGating, . . .

Basistechnologie:Feature Size, angepassterTransistorschwellwert, Detailoptimierungen, . . .

Danke!

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 12 / 18

Zusammenfassung

Methoden der Energieeinsparung auf vielen Ebenen:

Softwaremethoden:Ausnutzen der Sleep Modi, Scheduling,Compilerunterstutzung, . . .

Hardwarearchitektur:Spannungsinseln, dynamische Spannungs- undFrequenzanpassung, Clock und PowerGating, . . .

Basistechnologie:Feature Size, angepassterTransistorschwellwert, Detailoptimierungen, . . .

Danke!

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 12 / 18

Bibliographie I

Cheng-Yen Lin, Chi-Bang Kuan, Wen-Li Shih und Jenq Kuen Lee.“Compilers for Low Power with Design Patterns on EmbeddedMulticore Systems”. In: Journal of Signal Processing Systems 80.3(2015), S. 277–293. issn: 1939-8115. doi:10.1007/s11265-014-0917-9. url:http://dx.doi.org/10.1007/s11265-014-0917-9 (besucht am10. 10. 2016).

Low power VLSI chip design: Circuit design techniques. ElectronicsEngineering Herald. 2006. url:http://www.eeherald.com/section/design-guide/Low-

Power-VLSI-Design.html (besucht am 11. 10. 2016).

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 13 / 18

Bibliographie II

Ulrich Kremer. “Low Power/Energy Compiler Optimizations”. In:Low-Power Electronics Design (2005). Hrsg. von Christian Piguet.url: https://www.cs.rutgers.edu/~uli/CRC04.pdf (besuchtam 11. 10. 2016).

Farzan Fallah und Massoud Pedram. “Standby and active leakagecurrent control and minimization in CMOS VLSI circuits”. In:IEICE transactions on electronics 88.4 (2005), S. 509–519. url:http://www.mpedram.com/Papers/IEICE-leakage-review-

journal.pdf (besucht am 17. 10. 2016).

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 14 / 18

Bibliographie III

Sanjeeb Mishra, Neeraj Kumar Singh und Vijayakrishnan Rousseau.“Chapter 2 - Understanding Power Consumption Fundamentals”.In: System on Chip Interfaces for Low Power Design. Hrsg. vonSanjeeb Mishra, Neeraj Kumar Singh und Vijayakrishnan Rousseau.Morgan Kaufmann, 2016, S. 13 –27. isbn: 978-0-12-801630-5. doi:http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-801630-5.00002-5.url: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128016305000025.

Susanne Albers und Antonios Antoniadis. “Race to Idle: NewAlgorithms for Speed Scaling with a Sleep State”. In: ACM Trans.Algorithms 10.2 (Feb. 2014), 9:1–9:31. issn: 1549-6325. doi:10.1145/2556953. url:http://doi.acm.org/10.1145/2556953.

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 15 / 18

Bibliographie IV

Trends in Static Power Consumption. FernUniversitat in Hagen.url: http://www.fernuni-hagen.de/imperia/md/content/fakultaetfuermathematikundinformatik/pv/trends_in_

static_power_consumption_mcc-jk1.pdf (besucht am12. 10. 2016).

M. Halpern, Y. Zhu und V. J. Reddi. “Mobile CPU’s rise to power:Quantifying the impact of generational mobile CPU design trends onperformance, energy, and user satisfaction”. In: 2016 IEEEInternational Symposium on High Performance ComputerArchitecture (HPCA). 2016, S. 64–76. doi:10.1109/HPCA.2016.7446054. url: http://3nity.io/~vj/downloads/publications/mhalp16hpca.pdf

(besucht am 10. 10. 2016).

Michael Spiegel (HW/SW) Energieverbrauch 28. November 2016 16 / 18

Bibliographie V

Kevin Fronczak. Analysis of Subthreshold Conduction in MOSFETs.ROCHESTER INSTITTUE OF TECHNOLOGY. url:http://kevinfronczak.com/documents/Analysis_of_

Subthreshold_Conduction_in_MOSFETs_Fronczak.pdf (besuchtam 17. 10. 2016).

Andrew Danowitz, Kyle Kelley, James Mao, John P. Stevenson undMark Horowitz. “CPU DB: Recording Microprocessor History”. In:Commun. ACM 55.4 (Apr. 2012), S. 55–63. issn: 0001-0782. doi:10.1145/2133806.2133822. url:http://doi.acm.org/10.1145/2133806.2133822.

big.LITTLE Technology: The Future of Mobile. ARM Limited.2013. url: http://www.arm.com/files/pdf/big_LITTLE_Technology_the_Futue_of_Mobile.pdf (besucht am10. 11. 2016).

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Bibliographie VI

big.LITTLE Technology Moves Towards Fully Heterogeneous GlobalTask Scheduling. ARM Limited. Nov. 2013. url: http://www.arm.com/files/pdf/big_LITTLE_technology_moves_

towards_fully_heterogeneous_Global_Task_Scheduling.pdf

(besucht am 10. 11. 2016).

Zusatzliche Bildquellen: (Abgerufen am 12.11.2016)http://zeptobars.com/en/read/open-microchip-asic-what-inside-II-msp430-pic-z80

http://www.semiwiki.com/forum/content/

694-reducing-soc-power-consumption-using-integrated-voltage-regulators.html

https://www.valuetech.de/blog/reviews-pc-hardware/2016/02/19/

alpenfoehn-olymp-high-end-luftkuehler-benchmarks-test-video-lautstaerke

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