पावर गेटिंग: Difference between revisions
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पावर गेटिंग एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग एकीकृत सर्किट डिजाइन में बिजली की खपत को कम करने के लिए किया जाता है, जो सर्किट के उन ब्लॉकों के लिए विद्युत प्रवाह को बंद कर देता है जो उपयोग में नहीं हैं। स्टैंड-बाय या लीकेज पावर को कम करने के अलावा, पावर गेटिंग में Iddq टेस्टिंग को सक्षम करने का लाभ है।
सिंहावलोकन
पावर गेटिंग घड़ी गेटिंग से ज्यादा डिजाइन आर्किटेक्चर को प्रभावित करता है। यह समय की देरी को बढ़ाता है, क्योंकि पावर गेटेड मोड को सुरक्षित रूप से प्रवेश और निकास करना पड़ता है। लो पावर मोड में लीकेज पावर सेविंग की मात्रा और लो पावर मोड में प्रवेश करने और बाहर निकलने के लिए ऊर्जा अपव्यय की मात्रा के लिए डिजाइनिंग के बीच आर्किटेक्चरल ट्रेड-ऑफ मौजूद हैं। ब्लॉक को शट डाउन करना या तो सॉफ्टवेयर या हार्डवेयर द्वारा पूरा किया जा सकता है। ड्राइवर सॉफ्टवेयर पावर डाउन ऑपरेशंस को शेड्यूल कर सकता है। हार्डवेयर टाइमर का उपयोग किया जा सकता है। एक समर्पित बिजली प्रबंधन नियंत्रक एक और विकल्प है।
बाहरी रूप से स्विच की गई बिजली की आपूर्ति दीर्घकालिक रिसाव बिजली की कमी को प्राप्त करने के लिए पावर गेटिंग का एक बहुत ही बुनियादी रूप है। समय के छोटे अंतराल के लिए ब्लॉक को बंद करने के लिए, आंतरिक पावर गेटिंग अधिक उपयुक्त है। सर्किट्री को शक्ति प्रदान करने वाले सीएमओएस स्विच को पावर गेटिंग नियंत्रकों द्वारा नियंत्रित किया जाता है। पावर गेटेड ब्लॉक के आउटपुट धीरे-धीरे डिस्चार्ज होते हैं। इसलिए आउटपुट वोल्टेज स्तर थ्रेशोल्ड वोल्टेज स्तर में अधिक समय व्यतीत करते हैं। इससे बड़ा शॉर्ट सर्किट करंट हो सकता है।
पावर गेटिंग स्टैंडबाय या स्लीप मोड में डिज़ाइन के कुछ हिस्सों को बिजली की आपूर्ति बंद करने के लिए हेडर स्विच के रूप में कम रिसाव वाले एनएमओएस ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है। NMOS ट्रांजिस्टर पाद स्विच को स्लीप ट्रांजिस्टर के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। स्लीप ट्रांजिस्टर डालने से चिप का पावर नेटवर्क बिजली की आपूर्ति से जुड़े एक स्थायी पावर नेटवर्क और एक वर्चुअल पावर नेटवर्क में विभाजित हो जाता है जो कोशिकाओं को चलाता है और इसे बंद किया जा सकता है।
आमतौर पर, उच्च थ्रेसहोल्ड वोल्टेज | थ्रेशोल्ड वोल्टेज (Vth) स्लीप ट्रांजिस्टर का उपयोग पावर गेटिंग के लिए एक तकनीक में किया जाता है जिसे कभी-कभी मल्टी-थ्रेशोल्ड CMOS (MTCMOS) के रूप में जाना जाता है। स्लीप ट्रांजिस्टर साइज़िंग एक महत्वपूर्ण डिज़ाइन पैरामीटर है।
पावर-गेटिंग डिज़ाइन की सफलता के लिए इस जटिल पावर नेटवर्क की गुणवत्ता महत्वपूर्ण है। सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में से दो आईआर-ड्रॉप और सिलिकॉन क्षेत्र और रूटिंग संसाधनों में दंड हैं। पावर गेटिंग को सेल- या क्लस्टर-आधारित (या ठीक अनाज) दृष्टिकोण या वितरित मोटे अनाज वाले दृष्टिकोण का उपयोग करके कार्यान्वित किया जा सकता है।
पैरामीटर
पावर गेटिंग कार्यान्वयन में टाइमिंग क्लोजर कार्यान्वयन के लिए अतिरिक्त विचार हैं। इस पद्धति के सफल कार्यान्वयन के लिए निम्नलिखित मापदंडों पर विचार करने और उनके मूल्यों को ध्यान से चुनने की आवश्यकता है।[1][2]
- पावर गेट का आकार: किसी भी समय स्विचिंग करंट की मात्रा को संभालने के लिए पावर गेट के आकार का चयन किया जाना चाहिए। गेट इतना बड़ा होना चाहिए कि गेट के कारण मापनीय वोल्टेज (आईआर) ड्रॉप न हो। अंगूठे के एक नियम के रूप में, स्विचिंग कैपेसिटेंस के लगभग 3 गुना होने के लिए गेट का आकार चुना जाता है। डिजाइनर हेडर (पी-एमओएस) या फुटर (एन-एमओएस) गेट के बीच भी चयन कर सकते हैं। आमतौर पर फुटर गेट उसी स्विचिंग करंट के लिए क्षेत्र में छोटे होते हैं। डायनेमिक पावर एनालिसिस टूल स्विचिंग करंट को सटीक रूप से माप सकते हैं और पावर गेट के आकार का अनुमान भी लगा सकते हैं।
- गेट कंट्रोल कई दर: पावर गेटिंग में, यह एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है जो पावर गेटिंग दक्षता निर्धारित करता है। जब स्लीव रेट बड़ा होता है, तो सर्किट को स्विच ऑफ और स्विच-ऑन करने में अधिक समय लगता है और इसलिए यह पावर गेटिंग दक्षता को प्रभावित कर सकता है। गेट कंट्रोल सिग्नल को बफर करके स्लीव रेट को नियंत्रित किया जाता है।
- एक साथ स्विचिंग कैपेसिटेंस: यह महत्वपूर्ण बाधा सर्किट की मात्रा को संदर्भित करती है जिसे पावर नेटवर्क अखंडता को प्रभावित किए बिना एक साथ स्विच किया जा सकता है। यदि बड़ी मात्रा में सर्किट को एक साथ स्विच किया जाता है, तो परिणामी रश करंट पावर नेटवर्क अखंडता से समझौता कर सकता है। इसे रोकने के लिए सर्किट को चरणों में स्विच करने की जरूरत है।
- पावर गेट रिसाव: चूंकि पावर गेट सक्रिय ट्रांजिस्टर से बने होते हैं, इसलिए बिजली की बचत को अधिकतम करने के लिए रिसाव में कमी एक महत्वपूर्ण विचार है।
तरीके
फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग
बंद होने वाले प्रत्येक सेल में एक स्लीप ट्रांजिस्टर जोड़ना एक बड़े क्षेत्र का जुर्माना लगाता है, और व्यक्तिगत रूप से कोशिकाओं के प्रत्येक क्लस्टर की शक्ति को गेटिंग इंटर-क्लस्टर वोल्टेज भिन्नता द्वारा पेश किए गए समय के मुद्दों को बनाता है जिन्हें हल करना मुश्किल होता है। फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग स्विचिंग ट्रांजिस्टर को मानक सेल लॉजिक के एक भाग के रूप में एनकैप्सुलेट करता है। स्विचिंग ट्रांजिस्टर या तो लाइब्रेरी आईपी विक्रेता या मानक सेल डिजाइनर द्वारा डिजाइन किए जाते हैं। आमतौर पर ये सेल डिज़ाइन सामान्य मानक सेल नियमों के अनुरूप होते हैं और कार्यान्वयन के लिए EDA टूल द्वारा आसानी से नियंत्रित किए जा सकते हैं।
गेट कंट्रोल के आकार को सबसे खराब स्थिति को ध्यान में रखते हुए डिजाइन किया गया है, जिसके लिए प्रत्येक घड़ी चक्र के दौरान सर्किट को स्विच करने की आवश्यकता होगी, जिसके परिणामस्वरूप एक बड़ा क्षेत्र प्रभाव होगा। हाल के कुछ डिजाइन चुनिंदा रूप से फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग को लागू करते हैं, लेकिन केवल कम वी के लिएth कोशिकाओं। यदि तकनीक एकाधिक V की अनुमति देती हैth पुस्तकालयों, कम वी का उपयोगth उपकरण डिजाइन में न्यूनतम (20%) हैं, ताकि क्षेत्र के प्रभाव को कम किया जा सके। निम्न वी पर पावर गेट्स का उपयोग करते समयth यदि अगला चरण उच्च वी है तो कोशिकाओं को आउटपुट अलग किया जाना चाहिएth कक्ष। अन्यथा यह पड़ोसी उच्च V का कारण बन सकता हैth पावर गेटिंग के कारण आउटपुट अज्ञात स्थिति में जाने पर सेल में रिसाव होता है।
नियंत्रण संकेतों के लिए बफर डिस्ट्रीब्यूशन ट्री होने से गेट कंट्रोल स्लीव रेट की कमी को हासिल किया जाता है। बफ़र्स को उच्च V के साथ डिज़ाइन किए गए हमेशा बफ़र्स (गेट कंट्रोल सिग्नल के बिना बफ़र्स) के सेट से चुना जाना चाहिएth कोशिकाओं। जब एक सेल दूसरे के संबंध में बंद हो जाता है, तो स्विच-ऑन और स्विच-ऑफ के दौरान रश करंट को कम करता है।
आमतौर पर गेटिंग ट्रांजिस्टर को उच्च V के रूप में डिज़ाइन किया जाता हैth उपकरण। मोटे-अनाज पावर गेटिंग पावर गेटिंग कोशिकाओं को अनुकूलित करके और अधिक लचीलापन प्रदान करता है जहां कम स्विचिंग गतिविधि होती है। मोटे दाने के स्तर पर रिसाव अनुकूलन किया जाना है, उच्च रिसाव वाले के लिए कम रिसाव वाले सेल की अदला-बदली करना। फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग एक सुरुचिपूर्ण कार्यप्रणाली है जिसके परिणामस्वरूप 10 गुना तक रिसाव में कमी आती है। इस प्रकार की बिजली कटौती इसे एक आकर्षक तकनीक बनाती है यदि बिजली की कमी की आवश्यकता कई वी से संतुष्ट नहीं होती हैth अकेले अनुकूलन।
मोटे अनाज बिजली गेटिंग
मोटे दाने वाले दृष्टिकोण ग्रिड शैली के स्लीप ट्रांजिस्टर को लागू करते हैं जो साझा वर्चुअल पावर नेटवर्क के माध्यम से स्थानीय रूप से कोशिकाओं को चलाते हैं। यह दृष्टिकोण पीवीटी भिन्नता के प्रति कम संवेदनशील है, कम आईआर-ड्रॉप भिन्नता का परिचय देता है, और सेल- या क्लस्टर-आधारित कार्यान्वयन की तुलना में एक छोटा क्षेत्र ओवरहेड लगाता है। मोटे-अनाज पावर गेटिंग में, पावर-गेटिंग ट्रांजिस्टर मानक सेल के बजाय बिजली वितरण नेटवर्क का एक हिस्सा होता है।
मोटे अनाज की संरचना को लागू करने के दो तरीके हैं:
- रिंग-आधारित: पावर गेट्स को मॉड्यूल के परिधि के चारों ओर रखा जाता है जिसे रिंग के रूप में बंद किया जा रहा है। कोनों के चारों ओर बिजली संकेतों को चालू करने के लिए विशेष कोने वाले सेल का उपयोग किया जाता है।
- कॉलम-आधारित: मॉड्यूल के भीतर पावर गेट्स को कॉलम के रूप में एक-दूसरे से अलग किए गए सेल के साथ डाला जाता है। वैश्विक शक्ति धातु की उच्च परतें हैं, जबकि स्विच की गई शक्ति निचली परतों में है।
गेट का आकार किसी भी समय मॉड्यूल के समग्र स्विचिंग करंट पर निर्भर करता है। चूंकि किसी भी समय सर्किट का केवल एक अंश स्विच करता है, ठीक अनाज स्विच की तुलना में पावर गेट आकार छोटे होते हैं। सबसे खराब स्थिति वाले वैक्टर का उपयोग कर गतिशील शक्ति सिमुलेशन मॉड्यूल के लिए सबसे खराब स्थिति स्विचिंग निर्धारित कर सकता है और इसलिए आकार। आईआर ड्रॉप को भी विश्लेषण में शामिल किया जा सकता है। एक साथ स्विचिंग कैपेसिटेंस मोटे-अनाज पावर गेटिंग कार्यान्वयन में एक प्रमुख विचार है। एक साथ स्विचिंग को सीमित करने के लिए, गेट कंट्रोल बफ़र्स डेज़ी जंजीर हो सकते हैं, और विशेष काउंटरों का उपयोग चुनिंदा रूप से स्विच के ब्लॉक को चालू करने के लिए किया जा सकता है।
आइसोलेशन सेल
आइसोलेशन सेल का उपयोग शॉर्ट सर्किट करंट को रोकने के लिए किया जाता है। जैसा कि नाम से पता चलता है, ये कोशिकाएं पावर गेटेड ब्लॉक को नॉर्मल-ऑन ब्लॉक से अलग करती हैं। अलगाव कोशिकाओं को विशेष रूप से कम शॉर्ट सर्किट करंट के लिए डिज़ाइन किया गया है जब इनपुट थ्रेशोल्ड वोल्टेज स्तर पर होता है। अलगाव नियंत्रण संकेत पावर गेटिंग नियंत्रक द्वारा प्रदान किए जाते हैं। डिज़ाइन की अखंडता को बनाए रखने के लिए एक स्विच करने योग्य मॉड्यूल के संकेतों का अलगाव आवश्यक है। आमतौर पर एक साधारण OR या AND तर्क आउटपुट आइसोलेशन डिवाइस के रूप में कार्य कर सकता है। मॉड्यूल बंद होने से पहले राज्य को संरक्षित करने के लिए कई राज्य प्रतिधारण योजनाएं व्यवहार में उपलब्ध हैं। मॉड्यूल को बंद करने से पहले रजिस्टर वैल्यू को मेमोरी में स्कैन करना सबसे सरल तकनीक है। जब मॉड्यूल जागता है, तो मान मेमोरी से वापस स्कैन किए जाते हैं।
प्रतिधारण रजिस्टर
जब पावर गेटिंग का उपयोग किया जाता है, तो सिस्टम को किसी प्रकार की स्थिति बनाए रखने की आवश्यकता होती है, जैसे कि डेटा को रैम में स्कैन करना, फिर सिस्टम को फिर से सक्रिय करने पर इसे वापस स्कैन करना। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए, मेमोरी स्टेट्स को सेल के भीतर बनाए रखा जाना चाहिए, एक ऐसी स्थिति जिसमें बिट्स को टेबल में स्टोर करने के लिए अवधारण फ्लॉप की आवश्यकता होती है। इससे जागने के दौरान बिट्स को बहुत जल्दी बहाल करना संभव हो जाता है। प्रतिधारण रजिस्टर विशेष कम रिसाव वाले फ्लिप-फ्लॉप हैं जिनका उपयोग पावर गेटेड ब्लॉक के मुख्य रजिस्टरों के डेटा को रखने के लिए किया जाता है। इस प्रकार पावर डाउन मोड के दौरान ब्लॉक की आंतरिक स्थिति को बनाए रखा जा सकता है और जब ब्लॉक पुनः सक्रिय हो जाता है तो इसे वापस लोड किया जा सकता है। अवधारण रजिस्टर हमेशा संचालित होते हैं। प्रतिधारण रणनीति डिजाइन पर निर्भर है। एक पावर गेटिंग कंट्रोलर रिटेंशन मैकेनिज्म को नियंत्रित करता है जैसे कि पावर गेटिंग ब्लॉक की वर्तमान सामग्री को कब सहेजना है और कब इसे वापस लाना है।
यह भी देखें
संदर्भ
- ↑ "Practical Power Network Synthesis For Power-Gating Designs". 2008-11-01.
- ↑ Iyer, Anand (2008-11-01), Demystify power gating and stop leakage cold, Cadence Design Systems, Inc.
- Chiou, De-Shiuan; Chen, Shih-Hsin; Yeh, Chingwei (2006). "Timing driven power gating". Proceedings of the 43rd Annual Conference on Design Automation. ACM Special Interest Group on Design Automation: 121–124.
- "Power gating".
