如何解決芯片設(shè)計(jì)的功耗問(wèn)題

很明顯，熱量將成為半導(dǎo)體未來(lái)的限制因素。已經(jīng)有很大一部分芯片在任何時(shí)候都是黑暗的，因?yàn)槿绻袞|西同時(shí)運(yùn)行，所產(chǎn)生的熱量將超過(guò)芯片和封裝消散該能量的能力。如果我們現(xiàn)在開始考慮堆疊模具，在這種情況下，提取熱量的能力保持不變并且熱發(fā)生器的數(shù)量增加，那么這似乎是一個(gè)相當(dāng)暗淡的未來(lái)。

也許有人會(huì)發(fā)明更好的晶體管，或者電阻和電容更小的電線。但在這一點(diǎn)上，更明顯的進(jìn)步已經(jīng)被探索出來(lái)，成本總是會(huì)限制一些解決方案。

在過(guò)去的 40 或 50 年中，優(yōu)化一直與性能和面積有關(guān)。大約在 20 年前，功耗才開始成為一個(gè)考慮因素，當(dāng)時(shí)人們意識(shí)到，在相同的基本架構(gòu)下，性能的每一個(gè)百分比的提升都伴隨著更大的功耗提升。Dennard 擴(kuò)展自動(dòng)停止在每個(gè)新節(jié)點(diǎn)上提供相同水平的節(jié)能也無(wú)濟(jì)于事。

即使在今天，當(dāng)我采訪人們并詢問(wèn)電源是否是主要的優(yōu)化考慮因素時(shí)，答案通常是，“我們必須首先滿足性能指標(biāo)，然后我們才能擔(dān)心降低功耗?！?在接下來(lái)的 10 年里，我預(yù)計(jì)這種心態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮牡谝弧钡姆椒?。真正的?wèn)題是，在定義的功率預(yù)算內(nèi)，我可以在給定任務(wù)上獲得多少性能？你不會(huì)通過(guò)首先查看性能來(lái)得到這個(gè)答案。

在過(guò)去的幾十年中，已經(jīng)創(chuàng)建了一些工具，這些工具可以通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析并找出潛在的節(jié)省來(lái)節(jié)省浪費(fèi)的電力。大多數(shù)時(shí)候，這些節(jié)省可以自動(dòng)應(yīng)用，而不必?fù)?dān)心搞砸任何事情。示例是具有松弛的路徑或時(shí)鐘門控的晶體管尺寸，當(dāng)可以證明它不會(huì)產(chǎn)生邏輯影響時(shí)。其他策略的影響稍大一些，例如電源域切換，漏電流可以在不使用時(shí)分塊消除。然而，這些確實(shí)增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且它們引入了一些潛在的災(zāi)難性問(wèn)題，使一些設(shè)計(jì)陷入困境。

但所有這些技術(shù)都只是試圖恢復(fù)浪費(fèi)的電力。他們都沒(méi)有正面解決這個(gè)問(wèn)題。所需要的是影響系統(tǒng)架構(gòu)的功率優(yōu)化策略——包括在為它們優(yōu)化的處理平臺(tái)上運(yùn)行的軟件中使用和可能實(shí)現(xiàn)的算法，這些算法著眼于在系統(tǒng)中移動(dòng)的每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的有用性，還有更多。

但是這個(gè)行業(yè)有如此多的動(dòng)力和慣性，以至于改變是非常困難的。我們看到為一致性和連接性定義了越來(lái)越復(fù)雜和重量級(jí)的協(xié)議，所有這些協(xié)議都試圖盡可能少地破壞當(dāng)今存在的不良做法。

有令人鼓舞的跡象。特定領(lǐng)域的計(jì)算是由 John Hennessy 和 David Patterson 在 2017 年的 Turing 講座，以及 RISC-V ISA 和圍繞它的所有工作的快速行業(yè)采用所引發(fā)的一個(gè)領(lǐng)域。他們這樣做的主要?jiǎng)訖C(jī)可能不是降低功率，但這至少是一個(gè)開始。

從 RTL 開始。當(dāng)被問(wèn)及以功率優(yōu)化為主要考慮因素的未來(lái)可能性時(shí)，人們充滿熱情、興奮和希望在未來(lái)以更好的方式做事。

20 年前，當(dāng)電子系統(tǒng)級(jí) (ESL) 一詞被廣泛用于定義 EDA 新時(shí)代的技術(shù)時(shí)，人們興奮不已，也許是自行業(yè)成立以來(lái)我們?cè)谛?EDA 工具上看到的最大規(guī)模投資。

我也陷入了困境，但我們都錯(cuò)了。沒(méi)有新的魔法抽象可以驅(qū)動(dòng)新一代的設(shè)計(jì)師和工具。它確實(shí)產(chǎn)生了一些好東西，但與最初預(yù)期的完全不同。但我們現(xiàn)在能看到新時(shí)代的起源嗎？主要關(guān)注電力和能源的新抽象、流程和工具？新一代設(shè)計(jì)將能夠最大限度地提高每瓦性能，而不是通過(guò)優(yōu)化，而是通過(guò)設(shè)計(jì)？

是否有足夠多的人關(guān)心這個(gè)星球以將其作為優(yōu)先事項(xiàng)？作為工程師，我們是否在某種程度上對(duì)我們創(chuàng)造的產(chǎn)品的能源消耗負(fù)責(zé)？我確實(shí)看到更多人關(guān)心這些事情，但我也看到許多完全浪費(fèi)電源技術(shù)的進(jìn)步，其中唯一的動(dòng)機(jī)是利潤(rùn)。

編輯：黃飛