6 Consommation

Méthodologie de conception des circuits intégrés VLSI - 6. Faible consommation 1/02/10
Olivier Sentieys 1
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VI Estimation et réduction de la consommation
1. Pourquoi s'occuper de la puissance ?
– Dissipation de chaleur
– Portabilité
– Watt is the problem ?
2. Où partent puissance et énergie électriques ?
– Circuits intégrés numériques
– Microprocesseurs, DSP, ...
3. Comment estimer la consommation ?
4. Comment réduire la consommation ?
– Matériel et logiciel
5. Conclusions
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1. Introduction
Pourquoi s'occuper de la puissance
dissipée ?
Watt is the problem ?

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Évolutions technologiques
• Famille DEC/Compaq [Herrick99]
• EV4
– 200 MHz @ 3.3V
– 16 gate delays per cycle
– 30W @ 200 MHz & 3.3V
– 1,7 Million Transistors
– 233 mm2
• EV7 (21364)
– > 1000 MHz @ 1.5V
– 100W
– ~100 Million Transistors
– ~350 mm2
• Intel Pentium 4 [Intel 2000]
– 1.5 GHz, 0.18 micron
– Puissance des Pentium suit une courbe exponentielle !
– Réduction de la puissance du P4 par clock gating et power down des unités
fonctionnelles inutilisées
– Une unité thermique embarquée vient couper la CPU si il y a un problème de
refroidissement
– 55 Watts à 1.5 GHz (au lieu de 90 Watts)
• EV5 (21164)
– 350 MHz @ 3.3V
– 14 gate delays per cycle
– 60W @ 350 MHz & 3.3V
– 9,3 Million Transistors
– 298 mm2
• EV8
– > 1-2 GHz (0.125 micron)
– <150W
– ~250 Million Transistors
• EV6 (21264)
– 575 MHz @ 2.2V
– 12 gate delays per cycle
– 90W @ 575 MHz & 2.2V
– 15,2 Million Transistors
– 314 mm2
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1. Dissipation de chaleur
• Effets indésirables
– Diminution des performances
et de la fiabilité
MTBF/2 pour +10°C
– Augmentation du coût de mise
en œuvre
1€/W si >40W
– Augmentation volume-poids
radiateur, ventilateur, batteries, …
• Evolutions
technologiques ?

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Évolutions technologiques
Year
Voltage [V]
Power per chip [W]
VDD current [A]
1998 2002 2006 2010 2014
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 0
200 500
Current
Power
Voltage
326
Évolutions technologiques
• Projections
– ... 2000 Watts, 3000 A !
– La surface de silicium doit donc rester constante pour rester autour de
100-200W et 300-500A
1
10
100
1000
10000
1985 1990 1995 2000 2005 2010
Power (Watts)
Vdd scaling
0,1
1
10
100
1000
10000
1985 1990 1995 2000 2005 2010
Icc (A)
386 486
Pentium
Pro
PII
PIV
Puissance Courant d'alimentation

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2. Portabilité (1)
Em. Radio
Rec. Radio
Graphiques
Vidéo
Voix
Interface
• Multimédia
– Visioconférence H26x
– MPEGx,
• Interfaces
– Reconnaissance vocale
– Stylo inertiel
– Cryptage, authentification
• Mobilité
– UMTS, EDGE, GSM
– Internet Protocol
– Connexion réseaux locaux
2005 : mobilité et durée de vie
des batteries d'un agenda,
capacité multimédia d'un PC
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Technologie des batteries
• Performances des
batteries
[P. Senn 2000]
250
200
150
100
50
0
100 200 300 400 Smaller
Lighter
Whr/l
Whr/kg
NiCd
NiMh
Lithium-Ion Liquid
Lithium-Ion Polymer
LTC Lithium-Ion Polymer
LTC Lithium-Alloy
Polymer
Technologies NiCd NiMh Li-ion Li-poly
Naissance
industrielle
1956 1990 1992 1996
Tension (V) 1.2 1.2 3.6 3.7
Epaisseur
(mm)
>6 >6 >6 3
Capacité
(Whr/kg)
30-50 60-90 70-140 115-140
Durée de vie
(cycles)
~1000 ~1000 500 500
• Exemple type
– 500 mAh Li-Pol = 1,7 Wh
• Exemple haute capacité
– 1400 mAh Li-Pol = 5 Wh
• >10 heures autonomie
– P < 400 mW

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Terminal 3G Portable
Em. Radio
Rec. Radio
Graphiques
Vidéo
Voix
Interface
• Traitement
– 6-10 Milliards d'Instructions / sec
• Autonomie : 10h
• Poids : 500g (batteries)
500mW @ 6 GIPS
12 GIPS/W @ 6 GIPS
• Avec les processeurs actuels
– 30 Kg ou 10 minutes !!!
– ... avec quelques dizaines de DSP !!!
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En conclusion (puissance)
• Evolution de la géométrie des transistors
– Densité de transistors augmente
– Fréquence d’horloge augmente
• La puissance des circuits augmente malgré
– la diminution de la tension d’alimentation
– l'amélioration des méthodes de conception
• Limitations ?
– Limites physiques
Chaleur : e.g. 100W sur 3 cm2
– Limites dépendantes de l’application
Ordinateurs portables, nomades (PDA)
Systèmes embarqués (ou enfouis)
Systèmes ultra basse-consommation
Commutateurs, stations de base en télécommunications, routeurs Internet, …