MipsPOwer (mW)

(1)

Circuits asynchrones Circuits asynchrones

Consommation Consommation et conception de

et conception de SoCs SoCs

Marc Renaudin

[email protected]

CIS group Web site : http://tima.imag.fr

(2)

• Introduction

• Circuits asynchrones insensibles aux délais

• Circuits asynchrones et consommation

• Modèle

• Consommation dynamique

• Consommation statique

• Conclusion

• Contribution à la conception des SoCs

Plan Plan

(3)

Le plus petit circuit asynchrone insensible aux délais ! Le plus petit circuit asynchrone insensible aux délais !

• Porte de Muller ou C-Element = rendez-vous

– ET entre fronts montants – ET entre fronts descendants

X

C

Y Z

• Insensible aux délais

– Fonction correcte indépendamment des délais des portes et des fils

→ Principes fondamentaux

– La fonction est implémentée par les

propagations d’évènements (transitions électriques)

– La production d’évènements est acquittée par la réception d’évènements

Z1

Z2 X1

Y2

(4)

Circuits asynchrones insensibles aux délais ! Circuits asynchrones insensibles aux délais !

• Modèle de circuit

• Auto-séquencement basé « poignée de mains »

– Protocole de communication (séquence de transitions)

– Signalisation adéquate : Codage des données; Codage des acquittements – Logique sans aléa

• Propriétés

→ Insensibilité aux délais

→ Comportement dépendant des données

(5)

• Introduction

• Circuits asynchrones insensibles aux délais

• Circuits asynchrones et consommation

• Modèle

• Consommation dynamique

• Consommation statique

• Conclusion

• Contribution à la conception des SoCs

Plan Plan

(6)

Circuits asynchrones et consommation ! Circuits asynchrones et consommation !

• Modèle de circuit

• Métrique : transitions (évènements)

• Nombre déterminé (logique sans aléa)

– Exclusivité – Additivité

• Contrôle des évènements/transitions

– En nombre (algorithme, micro-architecture, logique, cellules) – En temps (ordonnancement à tout niveau de granularité)

(7)

Circuits asynchrones et consommation ! Circuits asynchrones et consommation !

• Consommation dynamique

Minimiser le nombre de transitions

– Algorithme asynchrone

– Architecture et logique (optimiser les cas les plus probables) – Choix du codage

• 1/N et P/N

• Adaptation dynamique de la largeur des chemins de données

Contrôle dynamique de la tension d’alimentation

– Agit sur l’énergie et la vitesse – Contrôle à faible coût

(8)

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0

1 1,5 2 2,5 3 3,5

Supply

Mips

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0

POwer (mW)

Mips Power(mW)

8-bit CISC Asynchronous Microcontroller 8-bit CISC Asynchronous Microcontroller

– 1-of-4 DI codes for arith. and reg.

– 1-of-n DI codes for the control – Complexity

• 145 000 transistors, 0.25 µm STM

• 1 M transistors with memories

• 13 mm² with pads (prototype)

• PGA120 package for the prototype

– Test

• BIST (approx. 300 instr)

• functional al 1^er silicium between 3v et 0.65 v

– 24 Mips / 28 mW @ 2.5V – 4,3 Mips / 0.8 mW @ 1V

Supply(V) Mips Core Current (mA) Power(mW) Mips/Watt

1 4,3 0,8 0,8 5503,6

1,5 11,9 3,1 4,7 2560,2

2 18,6 6,7 13,3 1398,0

2,5 23,8 11,2 28,0 850,3

3 27,8 16,3 48,9 568,1

3,5 31,3 22,0 77,0 405,8

(9)

DES chip (HCMOS8) DES chip (HCMOS8)

0.05 1 2 3 4 5 6 7

0 0,5 0,67 1 1,5 1,8 2

Current (mA)

Voltage (V)

Time(ns)

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

0,5 0.67 1 1,5 2

Voltage (V)

1,8 1468

33470

(10)

Circuits asynchrones et consommation ! Circuits asynchrones et consommation !

• Consommation dynamique

Mettre en forme le profil de consommation

– Décorréler la consommation des données : sécurité (DPA) – Minimiser le courant max : télé alimentation

– Lisser le profil de courant : contrôle du bruit et du rayonnement

« current shaping »

(11)

Results : DES Chip Results : DES Chip

Pads activities

Synchronous Clock edges

Frequency of computing each DES iterations

Clock Frequency Asynchronous

(12)

Results : MICA 8 bit processor Results : MICA 8 bit processor

Mean power consumption is lower

Smaller current peaks, EM emission is lower

Measurements performed with "MICA" an asynchronous QDI 8-bit microcontroller Current profile

0 100 200 300 400 500 600

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012

0.014 Courant de cons ommation moyen de MICA

Temps en ns

(fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 15000)

Amplitude en A

- 10 mA average current

- 0.6 mA amplitude variations

Synchronous circuit

(13)

Noise Noise

Measurements performed with "MICA" an asynchronous QDI 8-bit microcontroller Current spectrum

0 2 4 6 8 10 12 14

x 10⁹ 0

2 4 6

8x 10^-5 S pectre de frequence de MICA

frequence en Hz

(fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 15000)

Amplitude du spectre

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 10⁸ 1

2 3 4 5 6 7

8x 10^-5 S pectre de frequence de MICA

frequence en Hz

Amplitude du spectre

0 to 12.5 GHz

Max = 0.06

0 to 0.5 GHz

(14)

Circuits asynchrones et consommation ! Circuits asynchrones et consommation !

• Consommation dynamique

Contrôle de la consommation dynamique

– Réduire le nombre moyen de transitions – Agir sur la tension d’alimentation

– Agir sur le profil de courant

Car : traitements d’évènements et … insensibles aux délais

(15)

Circuits asynchrones et consommation ! Circuits asynchrones et consommation !

• Consommation statique

Plus de transistors, plus de fuites

Moins de transitions, un rapport (Nbre de Tr actifs/ Nbre total de Tr) plus faible donc une consommation statique plus importante (relativement à la consommation totale)

⇒ Il faut maîtriser les courants de fuite Solution étudiée

Connaissance et anticipation de l’activité (à la granularité voulue !)

⇒ les fonctions d’activation/désactivation existent (signalisation du protocole) Changement dynamique de Vdd et Vt (back-biasing)

(16)

Circuits asynchrones et consommation ! Circuits asynchrones et consommation !

Conclusion

• Exploiter les irrégularités (Signal, Algorithme, Architecture, Logique, Cellules) pour minimiser le nombre moyen de transitions donc la consommation

dynamique

• Exploiter l’insensibilité aux délais et les signaux explicites de contrôle d’activité pour minimiser dynamiquement

– La consommation dynamique la tension d’alimentation

– et la consommation statique en agissant sur la tension de seuil (back_biasing)

(17)

• Introduction

• Circuits asynchrones insensibles aux délais

• Circuits asynchrones et consommation

• Modèle

• Consommation dynamique

• Consommation statique

• Conclusion

• Contribution à la conception des SoCs

Plan Plan

(18)

Circuits asynchrones Circuits asynchrones

Contribution à la conception des

Contribution à la conception des SoCs SoCs

Insensibilité aux délais

→ circuits insensibles aux phénomènes temporels induits par les chutes de tensions dans l’alimentation

→ circuits insensibles aux phénomènes temporels induits par les variations PVT (inversion, vieillissement)

→ les efforts de caractérisation nécessaires sont beaucoup plus réduits

C’est UNE solution sérieuse pour la conception des blocs numériques des SoCs dans les technologies 120nm, 90nm, 65nm …

- Faible consommation - Robustesse (PVT)

- Temps de conception réduit (caractérisation, back-end block and top-level)

(19)

Circuits asynchrones Circuits asynchrones

Contribution à la conception des

Contribution à la conception des SoCs SoCs

Analog

Hard 1

Hard 2

Soft 1

Soft 2

Soft 3 Soft4

Blocs asynchrones « soft » - Synthèse

- Surface

- Consommation

Fonctions logiques intégrées dans les blocs analogiques - faible bruit/conso.

Système de communication asynchrone

- flexible

- performance/conso.

- transport/synchronisation

Système de com. asynchrone

(20)

Circuits asynchrones Circuits asynchrones

Consommation Consommation et conception de

et conception de SoCs SoCs

Marc Renaudin

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CIS group Web site : http://tima.imag.fr

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CIS group - TIMA laboratory CIS group - TIMA laboratory

“CIS” Group (http://tima.imag.fr/cis) Main results

• Asynchronous Processors ASPRO (16 bit RISC) MICA (8 bit CISC)

• Contact less Smart Card

• Secure chip design (DES, AES)

• TAST CAD Tools