省電力 - 坂井・入江研究室 [東京大学情報

Advanced
Computer
Architecture
11. 省電力
五島正裕
Advanced Computer Architecture
内容
1. 電力消費
2. 省電力デバイス技術
3. 省電力回路技術
4. 省電力アーキテクチャ技術
Advanced Computer Architecture
電力消費
Advanced Computer Architecture
省電力の目的
 機器，LSI のレベル
 目的：
数W

電池の持ち
 数十W～百W 超

熱




熱くて持てない
ファンがうるさい
冷やせない
溶ける
Advanced Computer Architecture
省電力の目的
 大規模システム
 データ・センタ
 スパコン
 大規模なオフィス
 目的：
 電気代

データ・センタの場合，冷房代が半分
 電力供給

発電所，変電所が必要？
 エコ，「グリーン IT」


エネルギー問題
CO2 削減
Advanced Computer Architecture
CMOS 回路の消費電力
 P = PD + PS
 PD : 動的電力 (Dynamic)
スイッチングに伴う成分
 PS : 静的電力 (Static)
スイッチングに伴わない成分
電力
O
動作周波数
Advanced Computer Architecture
動的消費電力
 PD = α f CV2 + α f ISV
 α ：スイッチング率
f
：動作周波数
 C ：負荷容量
 V ：電源電圧
 IS：貫通電流（積分値）
p MOS
n MOS
充電
放電
Advanced Computer Architecture
静的消費電力
 PS = IL V
 IL：リーク電流
 V ：電源電圧
ゲート
リーク
サブスレッシュホールド
リーク
ゲート
リーク
Advanced Computer Architecture
リーク電流
石橋孝一郎：低消費電力プロセッサ・回路技術とその動向，SACSIS 2007
Advanced Computer Architecture
古典的スケーリング則と消費電力
 古典的スケーリング則：
 最小加工寸法：
1/S
 電源電圧：
1/S
 動作周波数：
S
 負荷容量：
1/S2（Tr 数一定）～ 1（チップ面積一定）
 動的消費電力：
1/S3（Tr 数一定）～ 1/S1（チップ面積一定）
 静的消費電力：
1/S3（Tr 数一定）～ 1/S1（チップ面積一定）
Advanced Computer Architecture
スケーリング則の破綻
 スケーリング則は，既に破綻している
 要は，Tr サイズが原子サイズに近づいたため
 短チャネル効果
 トンネル電流
 1/S にできない：
 電源電圧
 ゲート絶縁膜厚
…
Advanced Computer Architecture
リーク電流
石橋孝一郎：低消費電力プロセッサ・回路技術とその動向，SACSIS 2007
Advanced Computer Architecture
余談
 120nm ～ 90nm では，リーク電流が問題になった
 「ダイナミックを超えるかも！」
 「これからはリークを何とかしなくては！」
 65nm では，それほど問題になっていない
 high-k ゲート絶縁膜，メタル・ゲート
 将来は？
 ダブルゲート，トライゲート，フィン FET
 カーボン・ナノチューブ，グラフェン
Advanced Computer Architecture
余談
 デバイス屋の「～できなくなる」メッセージ
 「サブミクロンは露光できない」
 「ピン数がネックで性能向上しなくなる」
 「ハードウェアが設計できなくなる」
 「LSI のテストが現実的な時間内でできなくなる」
 「100MHz を超えるボードは設計できない」
 「スキューのためクロックが送れなくなる」
 「投資が回収できなくて Fab が作れなくなる」
 「スキューが制御できないので並列伝送はできなくなる」
 「リークのために微細化が進まなくなる」
 デバイス屋のメッセージは，デバイス業界を糾合するために出されたもの
 複合産業なので，目標の統一化が必要
 （アーキテクチャ屋に向けられたものではない）
Advanced Computer Architecture
省電力デバイス技術
Advanced Computer Architecture
省電力デバイス技術
 C （容量）の削減
 SOI (Silicon-On-Insulator)
 Low-k 配線間絶縁膜 → エア・ブリッジ
 リークの削減
 High-k ゲート絶縁膜（メタル・ゲート）
 フィン FET
Advanced Computer Architecture
省電力回路技術
Advanced Computer Architecture
省電力化技術
 対動的
 クロック・ゲーティング etc
 DFS
 DVFS
 対静的
 DVS
 Multi-VT
 パワー・ゲーティング
Advanced Computer Architecture
対動的
 PD = α f CV2 + α f ISV
 α ：スイッチング率
f
：動作周波数
 C ：負荷容量
 V ：電源電圧
 IS ：貫通電流（積分値）
 対動的
 α を下げる
 f を下げる
 V を下げる
Advanced Computer Architecture
α を下げる
 ？？？
 使用しない回路ブロックへの入力の変化を抑制する


簡単
効果は限定的
Advanced Computer Architecture
クロック・ゲーティング
原発信
 使用しない回路ブロックへのク
ロック供給を断つ
 専用設計が必要
 効果大

ファンアウト大 → 容量大
 注：以下とは違う：
 FF（ラッチ）のライト・イ
ネーブルを，クロックをゲー
ティングすることで実現するこ
と
クロック・ドライバ
Advanced Computer Architecture
f を下げる ― DFS
 Dynamic Frequency Scaling
 動的に，動作周波数を制御
 処理時間も増える
 消費電力は下がるが，
 電力量は下がらない（むしろ増える）
 これだけでは，あまり意味がない
Advanced Computer Architecture
V を下げる ― DVFS
 Dynamic Voltage & Frequency Scaling
 動的に，電源電圧と動作周波数を制御
 動作速度：V に比例 → f も下げる
 動的電力：V 2 に比例
 予め定められた V と F のペア（数～十数段階）から，最適なペアを選
ぶ
 最適制御：
 動的電力：
デッドラインにぎりぎり間に合うようにすると
 静的電力：
全速でやって，電源を切るほうがよい
Advanced Computer Architecture
最近のスパコン
 消費電力の絶対値が問題
 TFLOPS/MW
 メガワットあたり性能
 最近のスパコン
 IBM BlueGene/L
 できる限り低電圧（低動作周波数）のプロセッサを大量に
 2GHz@2V x 1000コア :
 1GHz@1V x 2000コア :
Advanced Computer Architecture
対静的
 PS = IL V
 IL：リーク電流
 V ：電源電圧
 対静的
V


を下げる
DVS
電源遮断
 （V を下げずに）IL を減らす

Multi-VT
Advanced Computer Architecture
対静的
 静的電力
 静的電力 ∝ Tr 数 ∝ 回路面積
 多くの Tr，広い面積に適用することが肝要

ハイエンド・プロセッサなら (L2+) キャッシュ
Advanced Computer Architecture
パワー・ゲーティング
 使用しない回路ブロックの電源を
切る
 リーク対策としては（ほぼ）完璧
 ON/OFF に一定の時間がかかる
 OFF ：しばらくはリーク
 ON ：しばらくは使えない
Advanced Computer Architecture
Multi-VT
 VT：閾値電圧：Tr が ON になる電圧
 低い：高性能
 高い：低リーク
 Multi-VT：VT の異なる Tr を混ぜる
 クリティカル・パス：
高性能
 それ以外のパス：低リーク
 VT の異なる Tr の作り方
 不純物濃度：
静的
 基盤バイアス：
静的/動的
Advanced Computer Architecture
省電力アーキテクチャ技術
Advanced Computer Architecture
省電力アーキテクチャ技術
 省電力アーキテクチャ技術：
 省電力回路技術の使いどころを見つける

要は，「なるべく大きな，使わない回路ブロック」を見つける
 「使わない回路ブロック」：
 使わない演算器（整数乗除算器など）
 アクセスされないキャッシュ・ライン
 メモリを待ってストールしているパイプライン
 その他
Advanced Computer Architecture
省電力アーキテクチャ技術
 省電力アーキテクチャ技術：
 省電力回路技術の使いどころを見つける

要は，「なるべく大きな，使わない回路ブロック」を見つける
 「なるべく大きな」：粒度
 「使わない回路ブロック」の

面積 × 時間
 ある程度大きくないと，ON/OFF 時のオーバヘッドが問題
Advanced Computer Architecture
省電力アーキテクチャ技術
 使わないと分かった回路ブロックを OFF
 回路技術的
 使わない可能性が高い回路ブロックを OFF
 アーキテクチャ技術的
Advanced Computer Architecture
省電力キャッシュ
 リーク対策の効果大
 面積広い
 レギュラー
 使わない可能性が高いライン
 電源を切る

内容も消える（SRAM は揮発性）
 電圧を下げる


内容は消えないが読めない電圧
回路的には難しいらしい
Advanced Computer Architecture
アーキテクチャの省電力評価尺度
 PDP (Power-Delay Product，電力遅延積)
 Delay：「プログラムの実行時間」
 PDP ＝消費電力
 無限にゆっくり実行したほうが有利な値に
電力
 EDP (Energy-Delay Product)
 ED2P
 ED3P
 物理的な意味はない
O
時間
Advanced Computer Architecture
高性能と省電力
性能
 「高性能」
 やや「時代おくれ」
高性能
高効率
 「高効率」と「省電力」
 技術的には，重なりが多い
省電力
O
電力，Tr
Advanced
Computer
Architecture
今日のまとめ
Advanced Computer Architecture
内容
1. 電力消費
2. 省電力デバイス技術
3. 省電力回路技術
4. 省電力アーキテクチャ技術

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