2017 Fiscal Year Annual Research Report
LSI Design Method for Minimum Energy Operation
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16H01713
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小野寺 秀俊 京都大学, 情報学研究科, 教授 (80160927)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石原 亨 京都大学, 情報学研究科, 准教授 (30323471)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 低消費電力設計 / 低電圧動作 / 最小エネルギー動作 / 動的電圧制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、集積回路を所定の速度制約の下で消費エネルギー最小の動作点(MEP)で動作させるという新規動作機構を提案し、その一実現手法を世界に先駆けて開発するものである。研究内容は、最小エネルギー動作点を求める問題(MEP探索技術)と、動作環境により変動するMEPにどのように追従するかという問題(MEPT動作機構)に分類できる。MEP探索技術については、制御対象回路のMEPの解析・モデル化と、オンチップモニタによる動作状況情報の取得方法を検討する。MEPT動作機構については、VthとVddの更新アルゴリズムの開発と、Vth制御用基板バイアス生成回路の開発を行う事を計画している。
本年度は、MEPの解析とモデル化について、対象回路がMEP動作をするための必要十分条件となる電源電圧Vddとしきい値電圧Vthの設定方法を明かにした。すなわち、電源電圧Vddとしきい値電圧Vthにより構成される空間において、遅延等高線とエネルギー等高線の接点において、MEPが達成される事を証明した。エネルギー等高線の傾きと遅延等高線の傾きをオンチップモニタ等により求めることにより、MEPの動作点を探索することが可能である事を明かにした。エネルギー等高線や遅延等高線の傾きは、トランジスタのしきい値などのプロセス状態や、温度や活性化率などの動作状態により変動する。これらの状態を推定するためのオンチップモニタとして、リーク電流で駆動され再構成可能な回路構造を持つリングオシレータを開発した。実際に、65nmのSOIプロセスにおいてリングオシレータ型モニタを試作し、温度とプロセス状態の推定が可能であることを実回路において確認した。
MEP動作機構に関しては、65nmのSOIプロセスにおいて基板バイアス生成回路をセルベース設計により実装し、チップ試作を行った
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の内容は、最小エネルギー動作点を求める問題 (MEP探索技術) と、動作環境により変動するMEPにどのように追従するかという問題(MEPT動作機構)に分類できる。
MEP探索技術に関しては、MEP動作を行うための必要十分条件を明らかにすることができた。また、動作状況を観測するオンチップモニター回路に関しても、再構成可能型リングオシレータを設計し、トランジスタしきい値といったプロセス情報や、動作温度の推定が可能であることを試作回路にて実証した。これは当初に計画した通りの進捗である。
同様に、MEPT動作機構についても、当初計画通りセルベース設計にて基板バイアス生成回路を65nmのSOIプロセスにおいて設計し、その基本動作を確認することができた。METPを実現するためのVddとVthの更新アルゴリズム検討については、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタの独立制御法について検討を行い、それぞれのリーク電流の比を予め求めておいた値に保つことで、MEP動作が実現できる事を明かにした。実際に、65nmプロセスで試作したプロセッサにリーク電流モニタを実装し、リーク電流の比を一定に保つことでリーク電力を最小化することが出きることを確認した。
以上、ほとんどの研究内容について当初計画通りの進捗状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
MEP動作を行うための必要十分条件を明かにした。また、この条件が成立するように電源電圧Vddとしきい値電圧Vthを制御することにより、消費エネルギーが最小化される事を実験的に確かめた。現在の所、電源電圧としきい値電圧の調節は、オンチップモニタからの出力に基づいてマニュアルで行っている。まず、これらの制御をオフチップのFPGAにより自動化する方法を検討する。次いで、これらの制御をオンチップで完結させる方法について検討する。また、MEPを求めるためのオンチップモニタに関して、リーク電流の推定精度が十分ではなく、また、動作速度が遅い。より精度良く高速にリーク電流を推定する方法について引き続き検討を行う。リーク電流の測定は、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタの双方で行い、それぞれのトランジスタのしきい値電圧を独立に調節し、エネルギー最小動作を行う方法について検討を進める。
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