पावर गेटिंग

पावर गेटिंग ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग एकीकृत परिपथ डिजाइन में विद्युत् की व्यय को कम करने के लिए किया जाता है, जो परिपथ के उन ब्लॉकों में विद्युत प्रवाह को बंद कर देता है जो उपयोग में नहीं हैं। स्टैंड-बाय या लीकेज पावर को कम करने के अतिरिक्त, पावर गेटिंग में Iddq परीक्षण को सक्षम करने का लाभ मिलता है।

अवलोकन

पावर गेटिंग घड़ी गेटिंग की तुलना में डिज़ाइन आर्किटेक्चर को अधिक प्रभावित करती है। इससे समय विलंब बढ़ जाता है, क्योंकि पावर गेटेड मोड में सुरक्षित रूप से प्रवेश करना और बाहर निकलना होता है। निम्न पावर मोड में लीकेज पावर सेविंग की मात्रा और निम्न पावर मोड में प्रवेश करने और बाहर निकलने के लिए ऊर्जा अपव्यय के लिए डिजाइनिंग के मध्य आर्किटेक्चरल ट्रेड-ऑफ उपस्थित हैं। ब्लॉक को शट डाउन करना या तो सॉफ्टवेयर या हार्डवेयर द्वारा पूर्ण किया जा सकता है। ड्राइवर सॉफ्टवेयर पावर डाउन ऑपरेशंस को शेड्यूल कर सकता है। हार्डवेयर टाइमर का उपयोग किया जा सकता है। समर्पित विद्युत् प्रबंधन नियंत्रक अन्य विकल्प है।

दीर्घकालिक लीकेज विद्युत् की कमी को प्राप्त करने के लिए बाहरी रूप से स्विच की गई विद्युत् की आपूर्ति पावर गेटिंग का अधिक मूलभूत रूप है। समय के छोटे अंतराल के लिए ब्लॉक को बंद करने के लिए, आंतरिक पावर गेटिंग अधिक उपयुक्त है। सीमोंस स्विच जो सर्किट्री को शक्ति प्रदान करते हैं, पावर गेटिंग नियंत्रकों द्वारा नियंत्रित होते हैं। पावर गेटेड ब्लॉक के आउटपुट धीरे-धीरे डिस्चार्ज होते हैं। इसलिए आउटपुट वोल्टेज स्तर थ्रेशोल्ड वोल्टेज स्तर में अधिक समय व्यतीत करता है। इससे बड़ा शॉर्ट परिपथ प्रवाह हो सकता है।

पावर गेटिंग स्टैंडबाय या स्लीप मोड में डिज़ाइन के कुछ भागों को विद्युत् की आपूर्ति बंद करने के लिए हेडर स्विच के रूप में कम लीकेज वाले पीएमओएस ट्रांजिस्टर का उपयोग करता है। एनएमओएस फ़ूटर स्विच का उपयोग स्लीप ट्रांजिस्टर के रूप में भी किया जा सकता है। स्लीप ट्रांजिस्टर के उपयोग से चिप का पावर नेटवर्क विद्युत् की आपूर्ति से जुड़े स्थायी पावर नेटवर्क और वर्चुअल पावर नेटवर्क में विभाजित हो जाता है जो सेल द्वारा चलाया जाता है और इसे बंद किया जा सकता है।

सामान्यतः, उच्च थ्रेसहोल्ड वोल्टेज (V_th) स्लीप ट्रांजिस्टर का उपयोग पावर गेटिंग के लिए तकनीक में किया जाता है जिसे कभी-कभी मल्टी-थ्रेशोल्ड सीमोंस (MTCMOS) के रूप में जाना जाता है। स्लीप ट्रांजिस्टर का आकार एक महत्वपूर्ण डिज़ाइन पैरामीटर है।

इस जटिल विद्युत नेटवर्क की गुणवत्ता पावर-गेटिंग डिज़ाइन की सफलता के लिए महत्वपूर्ण है। सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में से दो आईआर-ड्रॉप, सिलिकॉन क्षेत्र और रूटिंग संसाधनों में दंड हैं। पावर गेटिंग को सेल- या क्लस्टर-आधारित दृष्टिकोण या वितरित मोटे ग्रेन 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 चयन करने की आवश्यकता है।

1. पावर गेट का आकार: किसी भी समय स्विचिंग धारा की मात्रा को संभालने के लिए पावर गेट के आकार का चयन किया जाना चाहिए। गेट इतना बड़ा होना चाहिए कि गेट के कारण कोई मापने योग्य वोल्टेज (आईआर) ड्रॉप न हो। सामान्य नियम के रूप में, गेट का आकार स्विचिंग कैपेसिटेंस का लगभग 3 गुना चयन किया जाता है। डिजाइनर हेडर (पी-एमओएस) या फुटर (एन-एमओएस) गेट के मध्य भी चयन कर सकते हैं। समान स्विचिंग धारा के लिए सामान्यतः फुटर गेट का क्षेत्रफल छोटा होता है। गतिशील पावर विश्लेषण उपकरण स्विचिंग धारा को त्रुटिहीन रूप से माप सकते हैं और पावर गेट के आकार का अनुमान भी लगा सकते हैं।
2. गेट कंट्रोल स्लीव दर: पावर गेटिंग में, यह महत्वपूर्ण पैरामीटर है जो पावर गेटिंग दक्षता निर्धारित करता है। जब स्लीव दर बड़ी होती है, तो परिपथ को स्विच ऑफ और स्विच-ऑन करने में अधिक समय लगता है और इसलिए पावर गेटिंग दक्षता प्रभावित हो सकती है। गेट कंट्रोल सिग्नल को बफर करके स्लीव दर को नियंत्रित किया जाता है।
3. एक साथ स्विचिंग कैपेसिटेंस: यह महत्वपूर्ण बाधा परिपथ की मात्रा को संदर्भित करती है जिसे पावर नेटवर्क अखंडता को प्रभावित किए बिना स्विच किया जा सकता है। यदि परिपथ की बड़ी मात्रा को स्विच किया जाता है, तो परिणामी रश धारा पावर नेटवर्क की अखंडता से निराकरण कर सकता है। इसे रोकने के लिए परिपथ को चरणों में स्विच करने की आवश्यकता होती है।
4. पावर गेट लीकेज: चूंकि पावर गेट सक्रिय ट्रांजिस्टर से बने होते हैं, इसलिए विद्युत् की बचत को अधिकतम करने के लिए लीकेज में कमी महत्वपूर्ण विचार है।

विधि

फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग

बंद होने वाले प्रत्येक सेल में स्लीप ट्रांजिस्टर जुड़ने से बड़े क्षेत्र का दोष होता है, और सेल के प्रत्येक क्लस्टर की शक्ति को व्यक्तिगत रूप से गेट करने से अंतर-क्लस्टर वोल्टेज भिन्नता द्वारा उत्पन्न समय संबंधी समस्याएं होती हैं जिनका समाधान करना कठिन होता है। फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग मानक सेल लॉजिक के भाग के रूप में स्विचिंग ट्रांजिस्टर को समाहित करता है। स्विचिंग ट्रांजिस्टर या तो लाइब्रेरी आईपी विक्रेता या मानक सेल डिजाइनर द्वारा डिजाइन किए जाते हैं। सामान्यतः ये सेल डिज़ाइन सामान्य मानक सेल नियमों के अनुरूप होते हैं और कार्यान्वयन के लिए ईडीए उपकरण द्वारा सरलता से नियंत्रित किए जा सकते हैं।

गेट कंट्रोल के आकार को सबसे व्यर्थ स्थिति को ध्यान में रखते हुए डिजाइन किया गया है, जिसके लिए प्रत्येक घड़ी चक्र के समय परिपथ को स्विच करने की आवश्यकता होगी, जिसके परिणामस्वरूप बड़ा क्षेत्र प्रभाव होगा। वर्तमान में कुछ डिजाइन उद्देशित रूप से फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग को प्रारम्भ करते हैं, किंतु केवल कम V_th सेल के लिए यदि प्रौद्योगिकी एकाधिक V_th लाइब्रेरी की अनुमति देती है तो डिज़ाइन में V_th उपकरणों का उपयोग न्यूनतम (20%) होता है, जिससे क्षेत्र के प्रभाव को कम किया जा सके। निम्न V_th सेल पर पावर गेट्स का उपयोग करते समय आउटपुट को भिन्न किया जाना चाहिए यदि अगला चरण उच्च V_th सेल है। अन्यथा जब पावर गेटिंग के कारण आउटपुट अज्ञात स्थिति में चला जाता है तो यह निकटतम उच्च V_th सेल में लीकेज का कारण बन सकता है।

नियंत्रण संकेतों के लिए बफर डिस्ट्रीब्यूशन ट्री होने से गेट कंट्रोल स्लीव दर की कमी को प्राप्त किया जाता है। बफ़र्स को उच्च V_th सेल के साथ डिज़ाइन किए गए सदैव ऑन बफ़र्स (गेट कंट्रोल सिग्नल के बिना बफ़र्स) के सेट से चयन किया जाना चाहिए। जब सेल दूसरे के सापेक्ष स्विच ऑफ होता है, तो स्विच-ऑन और स्विच-ऑफ के समय रश धारा को कम करता है।

सामान्यतः गेटिंग ट्रांजिस्टर को उच्च V_th के रूप में डिज़ाइन किया जाता है। मोटे-ग्रेन वाली पावर सेल को अनुकूलित करके अधिक नम्यता प्रदान करता है जहां कम स्विचिंग गतिविधि होती है। लीकेज का अनुकूलन मोटे ग्रेन के स्तर पर किया जाना चाहिए, उच्च लीकेज वाले सेल को परिवर्तित करना होगा। फाइन-ग्रेन पावर गेटिंग सुरुचिपूर्ण कार्यप्रणाली है जिसके परिणामस्वरूप लीकेज में 10 गुना तक कमी आती है। यदि विद्युत् कमी की आवश्यकता एकाधिक V_th अनुकूलन से संतुष्ट नहीं होती है तो इस प्रकार की विद्युत् कमी इसे आकर्षक तकनीक बनाती है। ।

मोटे ग्रेन विद्युत् गेटिंग

मोटे ग्रेन वाले दृष्टिकोण ग्रिड शैली स्लीप ट्रांजिस्टर को प्रारम्भ करते हैं जो वर्चुअल पावर नेटवर्क के माध्यम से स्थानीय रूप से सेल का उपयोग करता है। 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 छोटा क्षेत्र ओवरहेड लगाता है। मोटे-ग्रेन पावर गेटिंग में, ट्रांजिस्टर मानक सेल के अतिरिक्त विद्युत् वितरण नेटवर्क का भाग है।

मोटे ग्रेन की संरचना को प्रारम्भ करने की दो विधि हैं:

1. रिंग-आधारित: पावर गेट्स को मॉड्यूल की परिधि के चारों ओर रखा जाता है जिसे रिंग के रूप में बंद किया जा रहा है। सिरों के चारों ओर विद्युत् संकेतों को प्रारंभ करने के लिए विशेष सेल का उपयोग किया जाता है।
2. कॉलम-आधारित: पावर गेट्स को मॉड्यूल के भीतर कॉलम के रूप में सेल का उपयोग किया जाता है। वैश्विक शक्ति धातु की ऊपरी परतों में है, जबकि स्विच की गई शक्ति निचली परतों में है।

गेट का आकार किसी भी समय मॉड्यूल के समग्र स्विचिंग धारा पर निर्भर करता है। चूंकि किसी भी समय परिपथ का केवल एक भाग ही स्विच करता है, पावर गेट का आकार फाइन-ग्रेन स्विच की तुलना में छोटा होता है। सबसे व्यर्थ स्थिति वाले वैक्टर का उपयोग करके गतिशील शक्ति सिमुलेशन मॉड्यूल के लिए सबसे व्यर्थ स्थिति स्विचिंग और इसलिए आकार निर्धारित कर सकता है।आईआर ड्रॉप को भी विश्लेषण में सम्मिलित किया जा सकता है। मोटे-ग्रेन पावर गेटिंग कार्यान्वयन में स्विचिंग कैपेसिटेंस प्रमुख विचार है। स्विचिंग को सीमित करने के लिए, गेट कंट्रोल बफ़र्स को डेज़ी में श्रृंखलाबद्ध किया जा सकता है, और स्विच के ब्लॉक को उत्तम रूप से प्रारंभ करने के लिए विशेष काउंटरों का उपयोग किया जा सकता है।

आइसोलेशन सेल

शॉर्ट परिपथ धारा को रोकने के लिए आइसोलेशन सेल का उपयोग किया जाता है। जैसा कि नाम से ज्ञात होता है, ये सेल पावर गेटेड ब्लॉक को सामान्य रूप से प्रारंभ ब्लॉक से भिन्न करते हैं। जब इनपुट थ्रेशोल्ड वोल्टेज स्तर पर होता है। तो आइसोलेशन सेल विशेष रूप से कम शॉर्ट परिपथ धारा के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं। पृथकता नियंत्रण सिग्नल पावर गेटिंग नियंत्रक द्वारा प्रदान किए जाते हैं। डिज़ाइन की अखंडता को बनाए रखने के लिए स्विच करने योग्य मॉड्यूल के संकेतों का पृथक करना आवश्यक है। सामान्यतः साधारण OR या AND लॉजिक आउटपुट आइसोलेशन डिवाइस के रूप में कार्य कर सकता है। किसी मॉड्यूल के बंद होने से पहले स्तिथि को संरक्षित करने के लिए कई प्रतिधारण योजनाएं व्यवहार में उपलब्ध हैं। मॉड्यूल को बंद करने से पहले रजिस्टर मानों को मेमोरी में स्कैन करना सबसे सरल तकनीक है। जब मॉड्यूल का उपयोग किया जाता है, तो मान मेमोरी से वापस स्कैन किए जाते हैं।

प्रतिधारण रजिस्टर

जब पावर गेटिंग का उपयोग किया जाता है, तो प्रणाली को कुछ प्रकार की स्थिति बनाए रखने की आवश्यकता होती है, जैसे कि डेटा को रैम में स्कैन करना, फिर प्रणाली को सक्रिय होने पर इसे वापस स्कैन करना। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए, मेमोरी स्थिति को सेल के भीतर बनाए रखा जाना चाहिए, ऐसी स्थिति जिसके लिए तालिका में बिट्स को स्टोर करने के लिए रिटेंशन फ़्लॉप की आवश्यकता होती है। इससे वेकअप के समय बिट्स को अधिक तीव्रता से पुनर्स्थापित करना संभव हो जाता है। प्रतिधारण रजिस्टर विशेष कम लीकेज 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 समय ब्लॉक की आंतरिक स्थिति को बनाए रखा जा सकता है और ब्लॉक के पुनः सक्रिय होने पर इसे वापस लोड किया जा सकता है। अवधारण रजिस्टर सदैव संचालित होते हैं। प्रतिधारण रणनीति डिजाइन पर निर्भर है। पावर गेटिंग कंट्रोलर रिटेंशन मैकेनिज्म को नियंत्रित करता है जैसे कि पावर गेटिंग ब्लॉक की वर्तमान सामग्री को कब सहेजना है और कब इसे पुनर्स्थापित करना है।

यह भी देखें

• गतिशील वोल्टेज स्केलिंग
• पावर रैंप
• पावर नेटवर्क डिजाइन (आईसी)
• स्वायत्त परिधीय संचालन

संदर्भ

• 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".