Assoc Prof Massimo Alioto (al centro) e i membri del suo team Lin Longyang (a sinistra) e Saurabh Jain (a destra) mostrano le schede di prototipazione per testare i chip di silicio per dimostrare potenza e prestazioni altamente flessibili, superando la scala di tensione standard del settore. Credito:Università Nazionale di Singapore
Un team di ricercatori di NUS ha inventato una nuova classe di tecniche di riconfigurazione che estende in modo adattivo sia il consumo energetico minimo che le prestazioni massime dei circuiti digitali, ben oltre il normale ridimensionamento della tensione. Tale adattamento esteso consente ai chip di silicio digitali di funzionare a una potenza inferiore durante il normale utilizzo, e a un livello di prestazioni più elevato quando necessario.
Ciò estende la durata della batteria in condizioni di disponibilità di energia incerta in sistemi alimentati da raccoglitori (ad esempio celle solari) o batterie ricaricabili, offrendo al contempo prestazioni di picco più elevate per eseguire analisi dei dati su chip al verificarsi di eventi di interesse. Questo è un fattore chiave per applicazioni come Internet of Things (IoT), intelligenza artificiale (AI), indossabili e dispositivi biomedici.
"Le nostre tecniche di riconfigurazione introducono un'adattabilità senza precedenti alla disponibilità di energia fluttuante e alla domanda di prestazioni. Rispetto alla tecnica di ridimensionamento della tensione standard del settore, misurazioni su diversi chip di prova nel nostro laboratorio hanno dimostrato che tale adattamento estende la durata della batteria di un dispositivo mobile o indossabile di 1,5 volte, mentre raddoppia le prestazioni di picco. Le nostre tecniche possono essere utilizzate anche per miniaturizzare ulteriormente la batteria dello stesso fattore, mantenendo la stessa durata della batteria, " ha spiegato il Professore Associato Massimo Alioto di NUS Engineering. È il leader del Gruppo NUS Green IC che sta dietro a questa svolta tecnologica.
Ha aggiunto, "Come ulteriore vantaggio, la versatilità in termini di prestazioni energetiche delle nostre tecniche di circuito consente alle aziende di semiconduttori di semplificare il proprio portafoglio di chip e ridurre i costi di progettazione, poiché lo stesso design digitale può essere riutilizzato in un'ampia gamma di applicazioni e mercati."
Le tecniche proposte hanno portato alla dimostrazione di acceleratori e processori (ad esempio, Trasformata di Fourier veloce, processori ARM) con il minimo consumo energetico segnalato fino ad oggi. La ricerca dietro le nuove tecniche è stata supportata dalle principali aziende di semiconduttori (Intel, TSMC), nonché il Ministero della Pubblica Istruzione di Singapore e la National Research Foundation di Singapore.
Adattamento del percorso dei dati e dell'orologio:raggiungimento di un consumo energetico minimo ridotto e prestazioni di picco più elevate
Cellulare più avanzato, Le applicazioni IoT e AI richiedono un compromesso flessibile e ampio tra la potenza media (cioè, durata della batteria), e le prestazioni massime che determinano la reattività del sistema (ad es. quando si tocca lo schermo, o eseguire analisi dei dati quando un sensore produce dati di interesse).
Attualmente, la scalatura dinamica della tensione è il gold standard per consentire tale flessibilità. Il funzionamento a tensioni intorno a 1 V porta al massimo rendimento e consumo energetico, mentre la riduzione fino a 0,4-0,5 V riduce il consumo di energia da quattro a cinque volte e rallenta la velocità operativa di quasi 10 volte. Lo svantaggio di questo approccio è che il ridimensionamento della tensione si applica generalmente a un'architettura digitale fissa, sebbene l'architettura ottimale per consumi energetici e prestazioni dipenda dalla tensione adottata.
I circuiti digitali adattivi dimostrati dal team NUS sono in grado di prolungare la durata della batteria dei chip di silicio intelligenti riducendo il consumo energetico in condizioni di utilizzo normale, aumentando le prestazioni per rispondere rapidamente a eventi dati occasionali. Credito:Università Nazionale di Singapore
L'invenzione NUS supera la scalatura della tensione poiché la sua riconfigurazione del circuito consente una migliore corrispondenza tra l'architettura e la tensione adottata, e quindi è possibile ottenere un'ulteriore riduzione del consumo di energia e miglioramenti delle prestazioni a diverse tensioni.
Il Professore Associato Alioto ha detto, "La nostra invenzione consente la riconfigurazione sia del "percorso dati" in cui viene eseguita l'elaborazione effettiva, e il "percorso di clock" che distribuisce il segnale di clock per orchestrare le diverse attività di elaborazione. In entrambi i casi, i loro elementi costitutivi fondamentali sono uniti o divisi in modo flessibile per creare la struttura del percorso dei dati e dell'orologio che migliora l'efficienza energetica o le prestazioni a una determinata tensione".
Rispetto alla scala di tensione convenzionale, l'approccio proposto dal gruppo NUS Green IC rende i circuiti digitali più versatili e adattivi, consentendo l'ottimizzazione simultanea a entrambe le estremità dello spettro potenza-prestazioni.
Libro tecnico e una toolchain completa disponibile al pubblico
Per condividere i vantaggi della nuova tecnica del team sia con l'industria che con i gruppi di ricerca di tutto il mondo, è stato recentemente pubblicato un libro tecnico per fornire il background e i dettagli dell'implementazione dei chip di silicio dei processori, acceleratori e memorie on-chip. È stato anche creato un flusso di progettazione automatizzato e rilasciato pubblicamente su GitHub (visitare www.green-ic.org/).
"Nel nostro libro, abbiamo introdotto e dimostrato metodologie di progettazione utilizzando esclusivamente strumenti di progettazione commerciale, che sono integrati in un flusso di progettazione coeso in cui la riconfigurazione dell'orologio e del percorso dei dati è incorporata in modo plug-and-play. Siamo lieti di condividere il codice del software in modo open-source per consentire l'adozione massiccia e rapida delle nostre nuove tecniche nel settore commerciale e nella ricerca accademica, " ha commentato il Professore Associato Alioto.
Prossimi passi
Il team di ricerca di NUS sta ora esaminando lo sviluppo di nuove classi di sistemi intelligenti al silicio che consentano un adattamento ultra ampio delle prestazioni di potenza negli acceleratori di intelligenza artificiale incorporati nei chip di silicio di rilevamento per l'IoT. Questo porterà a sistemi di nuova generazione sempre disponibili, pur essendo in grado di rispondere prontamente ad eventi esterni con prestazioni computazionali molto significative.
Nel loro lavoro, il team si sforza di consentire l'adattamento delle prestazioni energetiche attraverso tecniche drop-in e metodologie di progettazione nelle architetture di sistema esistenti. Ciò consente di ottenere vantaggi in termini di prestazioni energetiche senza interrompere l'ecosistema di progettazione, consentendo così una rapida e massiccia adozione di sistemi intelligenti di nuova generazione.
