HardWare Driven Power Management- Background & Interconnect

[본글은 고려대학교 정보대학 김영근 교수님 COSE 415 저전력컴퓨팅 수강중 중간고사 정리를 위해 작성하는 글임을 밝힙니다.]

 

Background

Energy 

• 물리적인 일을 할 수 있는 능력

Power

• 단위 시간당 일을 할 수 있는 능력

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Power Consumption

• Device가 operating 하는 동안 사용하는 power
• Dynamic Power + Leakage Power로 이루어짐

Dynamic Power

• Switching Power + clock Power 로 이루어짐
• Runtime동안 dynamical 발생하는 power 

Switching Power

 

• Energy Drawn 상태에서 Capacitance(전기 용량)를 채우기 위한 Energy와 저장하는데 드는 에너지의 합으로 이루어진다
• Power는 단위 시간당 Energy이므로 frequency를 곱해주면 Power가 된다.

Switching Power Consumption 정리

 

• Capacitance,(Supply Voltage)^2, frequency, Activity Factor에 비례함을 알 수 있다.
• Clock Frequency는 단위 시간당 Clock 사이클의 수를 말하며, 수치가 높을수록 단위 시간당 수행 가능한 연산의 수가 높다.
  • Clock Frequency와 Supply Voltage는 높은 연관관계를 가지므로 P ∝ f^3 이라고도 많이 표현한다.
• Activity Factor는 회로의 특정 부분이 실제로 'on' 상태가 되는 것으로, 플립플랍이나 레지스터의 값이 변경되는 빈도를 의미한다.

Short Circuit Power 

• Circuit에서 Pmos와 Nmos가 동시에 active 되는 경우가 있는데 이때 발생하는 전력이다
• 불가피하게 발생하므로 target으로 자주 언급되는 대상이 아니다.

Leakage Power

• Standby leakage + Active Leakage로 이루어지며 의도하지 않은 전력 소모를 의미한다.

Standby Leakage

• 시스템이 대기모드에 있을 때에 발생하는 전력 소모

Active Leakage

• 시스템이 활성화 되어 연산을 수행하고 있을 때에 발생하는 전력 소모

Leakage Power Consumption - Trend

• 현대 CPU에서 가장 많은 비율을 차지하는 것은 Cache이다.
• 그렇기에 Cache Leakage 가 Chip Leakage를 dominate한다.

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Low Power Interconnect

• InterConnect는 Computer Architecture에서 다양한 컴퓨터 구성 요소와 모듈을 연결하는 통신경로와 물리적 연결을 의미한다.
• 먼저 Bus Encoding을 통해 전력을 최소화하는 방법이 있다.

Bus Encoding

• 컴퓨터 버스를 통해 데이터를 전송할 때 사용하는 기법
• Baseline으로 Binary encoding이 사용이 된다.

Gray Code Encoding

• 연속적인 숫자 사이의 비트 변환을 최소화함
• incrementally 변화하지 않는다면, advantage가 크지 않음
• 1->2 로 값이 변할 때 Binary는 두 개의 비트가 바뀌지만 Gray Code에서는 한 개만 바뀜

 

One-hot Encoding

• 아래와 같이 단 한개의 1로 표시를 하는 기법
• 2 bit translation이 보장이 되지만, exponential 한 개수의 wire가 필요함을 알 수 있다.

Crosstalk

• 한 와이어에서의 전기적 활동이 주변 와이어로 간섭 신호를 일으켜 주변 와이어의 신호 무결성에 영향을 주는 것
• 해결방법으로는 Shield Wire를 abjacent한 bus wire 사이에 Insert하는 방법이 있다. 

Low Swing Buses

• 기존의 +5v, -5v를 사용하여 +1,-1을 판단하는 시스템과 다르게, 30mv,-20mv등 더 적은 voltage를 사용하는것이다

• 사용하는 전압이 낮으므로 crosstalk, electromagnetic readiation effect으로부터 상대적으로 자유롭다는 장점
• Encoder와 Decoder를 추가적으로 설계해야하므로, Dynamic Power Consumption과 추가적인 설계로 인한 overhead를 고려해야함

Bus Segmentation

• Bus를 multiple segment로 나누어 실제로 사용되는 Bus의 전원만을 유지하는 시스템
• 단점으로는 각 segmentation마다 Clock source를 유지해야 하므로 시스템을 디자인하는것이 복잡하