Circuits asynchrones Consommation et conception de SoCs

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1 La Londe Les Maures 7-9 Mai 2004 Circuits asynchrones Consommation et conception de SoCs Marc Renaudin CIS group Web site :

2 Plan Introduction Circuits asynchrones insensibles aux délais Circuits asynchrones et consommation Modèle Consommation dynamique Consommation statique Conclusion Contribution à la conception des SoCs

3 e plus petit circuit asynchrone insensible aux délais! Porte de Muller ou C-Element = rendez-vous ET entre fronts montants ET entre fronts descendants X Z Insensible aux délais Fonction correcte indépendamment des délais des portes et des fils X Y C Z Y2 Z2 Principes fondamentaux La fonction est implémentée par les propagations d évènements (transitions électriques) La production d évènements est acquittée par la réception d évènements

4 Circuits asynchrones insensibles aux délais! Modèle de circuit Auto-séquencement basé «poignée de mains» Protocole de communication (séquence de transitions) Signalisation adéquate : Codage des données; Codage des acquittements Logique sans aléa Propriétés Insensibilité aux délais Comportement dépendant des données Temps de calcul et consommation variables

5 Plan Introduction Circuits asynchrones insensibles aux délais Circuits asynchrones et consommation Modèle Consommation dynamique Consommation statique Conclusion Contribution à la conception des SoCs

6 Circuits asynchrones et consommation! Modèle de circuit Métrique : transitions (évènements) Nombre déterminé (logique sans aléa) Exclusivité Additivité Contrôle des évènements/transitions En nombre (algorithme, micro-architecture, logique, cellules) En temps (ordonnancement à tout niveau de granularité)

7 Circuits asynchrones et consommation! Consommation dynamique Minimiser le nombre de transitions Algorithme asynchrone Architecture et logique (optimiser les cas les plus probables) Choix du codage /N et P/N Adaptation dynamique de la largeur des chemins de données Contrôle dynamique de la tension d alimentation Agit sur l énergie et la vitesse Contrôle à faible coût

8 8-bit CISC Asynchronous Microcontroller -of-4 DI codes for arith. and reg. -of-n DI codes for the control Complexity transistors, 0.25 µm STM M transistors with memories 3 mm² with pads (prototype) PGA20 package for the prototype Test BIST (approx. 300 instr) functional al er silicium between 3v et 0.65 v 24 Mips / V 4,3 Mips / 0.8 V Mips 35,0 30,0 25,0 20,0 5,0 0,0 5,0 0,0 Mips Power(mW),5 2 2,5 3 3,5 Supply Supply(V) Mips Core Current (ma) Power(mW) Mips/Watt 4,3 0,8 0,8 5503,6,5,9 3, 4,7 2560,2 2 8,6 6,7 3,3 398,0 2,5 23,8,2 28,0 850,3 3 27,8 6,3 48,9 568, 3,5 3,3 22,0 77,0 405,8 00,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 POwer (mw)

9 DES chip (HCMOS8) Current (ma) 3 Time (ns) ,5 0,67,5,8 2 Voltage (V) ,8 0,5,5 2 Voltage (V)

10 Circuits asynchrones et consommation! Consommation dynamique Mettre en forme le profil de consommation Décorréler la consommation des données : sécurité (DPA) Minimiser le courant max : télé alimentation Lisser le profil de courant : contrôle du bruit et du rayonnement «current shaping»

11 Results : DES Chip Asynchronous Pads activities Frequency of computing each DES iterations Clock edges Synchronous Clock Frequency

12 Results : MICA 8 bit processor Measurements performed with "MICA" an asynchronous QDI 8-bit microcontrolle Current profile 0.04 Courant de consommation moyen de MICA Amplitude en A ma average current ma amplitude variations Temps e n ns (fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 5000) Mean power consumption is lower Smaller current peaks, EM emission is lower Synchronous circuit

13 Noise Measurements performed with "MICA" an asynchronous QDI 8-bit microcontrolle Current spectrum 8 x 0-5 Spectre de frequence de MICA Max = x 0-5 Spectre de frequence de MICA Amplitude du spectre 4 Amplitude du spectre frequence en Hz x 0 9 (fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 5000) frequence en Hz x to 2.5 GHz 0 to 0.5 GHz

14 Circuits asynchrones et consommation! Consommation dynamique Contrôle de la consommation dynamique Réduire le nombre moyen de transitions Agir sur la tension d alimentation Agir sur le profil de courant Car : traitements d évènements et insensibles aux délais

15 Circuits asynchrones et consommation! Consommation statique Plus de transistors, plus de fuites Moins de transitions, un rapport (Nbre de Tr actifs/ Nbre total de Tr) plus faible donc une consommation statique plus importante (relativement à la consommation totale) Il faut maîtriser les courants de fuite Solution étudiée Connaissance et anticipation de l activité (à la granularité voulue!) les fonctions d activation/désactivation existent (signalisation du protocole) Changement dynamique de Vdd et Vt (back-biasing)

16 Circuits asynchrones et consommation! Conclusion Exploiter les irrégularités (Signal, Algorithme, Architecture, Logique, Cellules) pour minimiser le nombre moyen de transitions donc la consommation dynamique Exploiter l insensibilité aux délais et les signaux explicites de contrôle d activité pour minimiser dynamiquement La consommation dynamique la tension d alimentation en agissant sur et la consommation statique la tension de seuil (back_biasing)

17 Plan Introduction Circuits asynchrones insensibles aux délais Circuits asynchrones et consommation Modèle Consommation dynamique Consommation statique Conclusion Contribution à la conception des SoCs

18 Circuits asynchrones Contribution à la conception des SoCs Insensibilité aux délais circuits insensibles aux phénomènes temporels induits par les chutes de tensions dans l alimentation circuits insensibles aux phénomènes temporels induits par les variations PVT (inversion, vieillissement) les efforts de caractérisation nécessaires sont beaucoup plus réduits C est UNE solution sérieuse pour la conception des blocs numériques des SoCs dans les technologies 20nm, 90nm, 65nm - Faible consommation - Robustesse (PVT) - Temps de conception réduit (caractérisation, back-end block and top-level)

19 Circuits asynchrones Contribution à la conception des SoCs Blocs asynchrones «soft» - Synthèse - Surface - Consommation Fonctions logiques intégrées dans les blocs analogiques - faible bruit/conso. Analog Soft 2 Soft Système de com. asynchrone Système de communication asynchrone - flexible - performance/conso. - transport/synchronisation Hard 2 Soft4 Soft 3 Hard

20 La Londe Les Maures 7-9 Mai Circuits asynchrones Consommation et conception de SoCs Marc Renaudin CIS group Web site :

21 CIS group - TIMA laboratory CIS Group ( Main results Asynchronous Processors ASPRO (6 bit RISC) MICA (8 bit CISC) Contact less Smart Card Secure chip design (DES, AES) TAST CAD Tools 2