El profesor asociado Massimo Alioto (centro) y los miembros de su equipo Lin Longyang (izquierda) y Saurabh Jain (derecha) mostrando las placas de prototipos para probar los chips de silicio para demostrar una potencia y un rendimiento altamente flexibles. superando la escala de voltaje estándar de la industria. Crédito:Universidad Nacional de Singapur
Un equipo de investigadores de NUS ha inventado una nueva clase de técnicas de reconfiguración que amplían de forma adaptativa tanto el consumo mínimo de energía como el rendimiento máximo de los circuitos digitales. mucho más allá de la escala de voltaje común. Tal adaptación extendida permite que los chips de silicio digital funcionen a menor potencia durante el uso normal, ya un nivel de rendimiento más alto cuando sea necesario.
Esto prolonga la vida útil de la batería bajo disponibilidad de energía incierta en sistemas alimentados por recolectores (por ejemplo, células solares) o baterías recargables. al mismo tiempo que ofrece un rendimiento máximo más alto para llevar a cabo análisis de datos en el chip ante la ocurrencia de eventos de interés. Este es un habilitador clave para aplicaciones como Internet de las cosas (IoT), inteligencia artificial (IA), wearables y dispositivos biomédicos.
"Nuestras técnicas de reconfiguración introducen una adaptabilidad sin precedentes a la disponibilidad de energía fluctuante y la demanda de rendimiento. En comparación con la técnica de escalado de voltaje estándar de la industria, las mediciones en varios chips de prueba en nuestro laboratorio han demostrado que dicha adaptación prolonga la vida útil de la batería de un dispositivo móvil o portátil en 1,5 veces, mientras duplica el rendimiento máximo. Nuestras técnicas también se pueden utilizar para miniaturizar aún más la batería por el mismo factor, manteniendo la misma duración de la batería, ", explicó el profesor asociado Massimo Alioto de NUS Engineering. Él es el líder del NUS Green IC Group que está detrás de este avance tecnológico.
Él agregó, "Como beneficio adicional, La versatilidad de potencia-rendimiento de nuestras técnicas de circuitos permite a las empresas de semiconductores simplificar su cartera de chips y reducir el coste de diseño. ya que el mismo diseño digital se puede reutilizar en una amplia gama de aplicaciones y mercados ".
Las técnicas propuestas han llevado a la demostración de aceleradores y procesadores (por ejemplo, Transformada rápida de Fourier, Procesadores ARM) con consumo mínimo de energía informado hasta la fecha. La investigación detrás de las técnicas novedosas ha sido apoyada por empresas líderes de semiconductores (Intel, TSMC), así como el Ministerio de Educación de Singapur y la Fundación Nacional de Investigación de Singapur.
Adaptación de la ruta de reloj y datos:Lograr un consumo de energía mínimo bajo y un rendimiento máximo más alto
Móvil más avanzado, Las aplicaciones de IoT e IA requieren una compensación amplia y flexible entre la potencia promedio (es decir, duración de la batería), y el rendimiento máximo que determina la capacidad de respuesta del sistema (por ejemplo, cuando se toca la pantalla, o realizar análisis de datos cuando un sensor produce datos de interés).
En la actualidad, El escalado dinámico de voltaje es el estándar de oro para permitir tal flexibilidad. Operar a voltajes alrededor de 1 V conduce a un máximo rendimiento y consumo de energía, mientras que la reducción a 0,4-0,5 V reduce el consumo de energía de cuatro a cinco veces y reduce la velocidad de funcionamiento casi 10 veces. El inconveniente de este enfoque es que la escala de voltaje generalmente se aplica a una arquitectura digital fija, aunque la arquitectura óptima para el consumo de energía y el rendimiento depende del voltaje adoptado.
Los circuitos digitales adaptativos demostrados por el equipo de NUS pueden extender la vida útil de la batería de los chips de silicio inteligentes al reducir el consumo de energía en condiciones de uso normal. mientras aumenta el rendimiento para responder rápidamente a eventos de datos ocasionales. Crédito:Universidad Nacional de Singapur
La invención de NUS supera el escalado de voltaje ya que la reconfiguración de su circuito permite una mejor coincidencia entre la arquitectura y el voltaje adoptado. y por lo tanto se puede lograr una mayor reducción en el consumo de energía y mejoras en el rendimiento a diferentes voltajes.
El profesor asociado Alioto dijo:"Nuestra invención permite la reconfiguración tanto de la" ruta de datos "donde se realiza el procesamiento real, y la "ruta del reloj" que distribuye la señal del reloj para orquestar las diferentes tareas de procesamiento. En ambos casos, sus bloques de construcción fundamentales se fusionan o dividen de manera flexible para crear la estructura de la ruta de datos y reloj que mejora la eficiencia energética o el rendimiento a un voltaje determinado ".
En comparación con el escalado de voltaje convencional, el enfoque propuesto por el grupo NUS Green IC hace que los circuitos digitales sean más versátiles y adaptables, permitiendo la optimización simultánea en ambos extremos del espectro de potencia-rendimiento.
Libro técnico y una cadena de herramientas completa a disposición del público
Compartir los beneficios de la nueva técnica del equipo con la industria y los grupos de investigación de todo el mundo, Recientemente se ha publicado un libro técnico para proporcionar los antecedentes y detalles de la implementación de procesadores de chips de silicio, aceleradores y memorias en chip. También se ha creado y publicado públicamente un flujo de diseño automatizado a través de GitHub (visite www.green-ic.org/).
"En nuestro libro, introdujimos y demostramos metodologías de diseño utilizando únicamente herramientas de diseño comerciales, que se integran en un flujo de diseño cohesivo en el que la reconfiguración de la ruta de datos y el reloj se incorpora de forma plug-and-play. Estamos encantados de compartir el código del software de forma de código abierto para permitir la adopción masiva y rápida de nuestras técnicas novedosas en el sector comercial y en la investigación académica. "comentó el profesor asociado Alioto.
Próximos pasos
El equipo de investigación de NUS ahora está estudiando el desarrollo de nuevas clases de sistemas de silicio inteligentes que permitan una adaptación de rendimiento de potencia ultra amplia en aceleradores de IA integrados en chips de silicio de detección para IoT. Esto conducirá a sistemas de próxima generación que siempre están disponibles, al mismo tiempo que puede responder rápidamente a eventos externos con un rendimiento computacional muy significativo.
En su trabajo, el equipo se esfuerza por permitir la adaptación del rendimiento energético a través de técnicas integradas y metodologías de diseño en las arquitecturas de sistemas existentes. Esto permite obtener beneficios de rendimiento energético sin interrumpir el ecosistema de diseño. permitiendo así una adopción rápida y masiva de sistemas inteligentes de próxima generación.
