Uma equipe de pesquisadores da NUS inventou uma nova classe de técnicas de reconfiguração que estende de forma adaptativa o consumo mínimo de energia e o desempenho máximo dos circuitos digitais, muito além da escala de tensão comum. Essa adaptação estendida permite que os chips de silício digital operem em baixa potência durante o uso normal, e em um nível de desempenho superior, quando necessário.

Isso estende a vida útil da bateria sob disponibilidade incerta de energia em sistemas alimentados por colheitadeiras (por exemplo, células solares) ou baterias recarregáveis, ao mesmo tempo que oferece desempenho de pico mais alto para realizar análises de dados on-chip na ocorrência de eventos de interesse. Este é um capacitador chave para aplicativos como Internet das Coisas (IoT), inteligência artificial (IA), wearables e dispositivos biomédicos.

"Nossas técnicas de reconfiguração introduzem adaptabilidade sem precedentes para a disponibilidade de energia flutuante e demanda de desempenho. Em comparação com a técnica de escala de tensão padrão da indústria, medições em vários chips de teste em nosso laboratório mostraram que tal adaptação estende a vida útil da bateria de um dispositivo móvel ou vestível em 1,5 vezes, enquanto duplica o desempenho de pico. Nossas técnicas também podem ser usadas para miniaturizar ainda mais a bateria pelo mesmo fator, mantendo a mesma vida útil da bateria, "explicou o Professor Associado Massimo Alioto da NUS Engineering. Ele é o líder do Grupo NUS Green IC que está por trás deste avanço tecnológico.

Ele adicionou, "Como benefício adicional, a versatilidade de desempenho de energia de nossas técnicas de circuito permite que as empresas de semicondutores simplifiquem seu portfólio de chips e reduzam o custo de design, já que o mesmo design digital pode ser reutilizado em uma ampla gama de aplicações e mercados. "

As técnicas propostas levaram à demonstração de aceleradores e processadores (por exemplo, Transformação rápida de Fourier, Processadores ARM) com consumo mínimo de energia relatado até o momento. A pesquisa por trás das novas técnicas foi apoiada por empresas líderes de semicondutores (Intel, TSMC), bem como o Ministério da Educação de Cingapura e a Fundação Nacional de Pesquisa de Cingapura.

Adaptação do caminho de dados e relógio:Alcançando baixo consumo mínimo de energia e desempenho de pico mais alto

Celular mais avançado, As aplicações de IoT e AI requerem uma troca flexível e ampla entre a potência média (ou seja, vida da bateria), e o desempenho máximo que determina a capacidade de resposta do sistema (por exemplo, quando a tela é tocada, ou realizar análise de dados quando um sensor produz dados de interesse).

Atualmente, a escala de tensão dinâmica é o padrão ouro para permitir tal flexibilidade. Operar em tensões em torno de 1 V leva ao máximo desempenho e consumo de energia, enquanto a redução para 0,4-0,5 V reduz o consumo de energia de quatro a cinco vezes e diminui a velocidade de operação em quase 10 vezes. A desvantagem dessa abordagem é que a escala de tensão geralmente se aplica a uma arquitetura digital fixa, embora a arquitetura ideal para consumo de energia e desempenho dependa da tensão adotada.

A invenção da NUS supera a escala de tensão, uma vez que sua reconfiguração de circuito permite uma melhor correspondência entre a arquitetura e a tensão adotada, e, portanto, uma redução adicional no consumo de energia e melhorias no desempenho em diferentes tensões podem ser alcançadas.

O professor associado Alioto disse:"Nossa invenção permite a reconfiguração do" caminho de dados "onde o processamento real é realizado, e o "caminho do relógio" que distribui o sinal do relógio para orquestrar as diferentes tarefas de processamento. Em ambos os casos, seus blocos de construção fundamentais são combinados ou divididos de maneira flexível para criar a estrutura de caminho de dados e relógio que melhora a eficiência energética ou o desempenho em uma determinada voltagem. "

Em comparação com a escala de tensão convencional, a abordagem proposta pelo grupo NUS Green IC torna os circuitos digitais mais versáteis e adaptáveis, permitindo a otimização simultânea em ambas as extremidades do espectro de desempenho de energia.

Livro técnico e um conjunto de ferramentas completo disponível publicamente

Para compartilhar os benefícios da nova técnica da equipe com grupos da indústria e de pesquisa em todo o mundo, um livro técnico foi lançado recentemente para fornecer o histórico e os detalhes da implementação do chip de silício dos processadores, aceleradores e memórias no chip. Um fluxo de design automatizado também foi criado e lançado publicamente no GitHub (visite www.green-ic.org/).

"Em nosso livro, introduzimos e demonstramos metodologias de design usando exclusivamente ferramentas de design comerciais, que são integrados em um fluxo de design coeso, onde a reconfiguração do clock e do caminho de dados é incorporada de forma plug-and-play. Temos o prazer de compartilhar o código do software de forma aberta para permitir a adoção massiva e rápida de nossas novas técnicas no setor comercial e na pesquisa acadêmica, "comentou o Professor Associado Alioto.

Próximos passos

A equipe de pesquisa da NUS está agora procurando desenvolver novas classes de sistemas de silício inteligentes que permitem uma adaptação ultralarga de desempenho de energia em aceleradores de IA embutidos em chips de silício de detecção para IoT. Isso levará a sistemas de próxima geração que estão sempre disponíveis, ao mesmo tempo em que é capaz de responder prontamente a eventos externos com desempenho computacional muito significativo.

Em seu trabalho, a equipe se esforça para permitir a adaptação de desempenho de energia por meio de técnicas de drop-in e metodologias de projeto em arquiteturas de sistema existentes. Isso permite a obtenção de benefícios de desempenho de energia sem interromper o ecossistema de design, permitindo assim uma adoção rápida e massiva de sistemas inteligentes de próxima geração.