Performance Monitoring System for Low Power Design

Abstract

반도체 공정 기술이 지속적으로 미세화됨에 따라, 제조 및 동작 환경에 따른 회로의 성능 변동이 점점 더 심각 해지고 있다. 이러한 성능 변동은 예측하기가 매우 어렵기 때문에 추가적인 설계 마진을 필요로 하는데, 이는 칩의 면적 및 전력 소비를 증가시킨다. 이 문제를 해결할 수 있는 가장 이상적인 방법은 실시간으로 성능 변동을 측정하고, 피드백 루프를 통해 적절한 전압을 공급하는 것이다. 하지만, 이 기법의 가장 중요한 점은 모니터링 회로와 대상 블록과의 성능 상관 관계 불일치이다. 큰 불일치는 오히려 피드백 루프 방법의 장점을 잃을 수 있다. 본 논문에서는 광범위한 동작 전압을 고려한 여러 개의 일반 모니터를 갖춘 새로운 지연 모니터링 시스템을 제안한다. 이 시스템은 기존 모니터링 방법에 비해 모니터링 회로와 대상 블록간의 성능 상관 관계가 더 좋다. 14나노미터 FinFET 프로세서 코어에 적용하여 오류를 최대 91 %까지 줄여 설계 마진을 줄이고 이를 통해 전력 소비를 감소시키고 저비용 설계를 달성할 수 있다.<br/> 또한, 본 논문은 칩의 노후화 보상 방법을 다룬다. 일반적으로 칩의 노후화로 인한 신뢰성 저하는 설계 마진을 사용하여 해결한다. 그러나 이 방법은 효율적이지 못하며, 설계 과정에서 노후화 영향을 정확하게 예측 해야 하므로 많은 어려움이 있다. 따라서, 저전력 설계를 위해서는 실시간으로 칩의 노후화로 인한 성능 저하를 측정하고 이를 적절하게 보상해 줘야 한다. 본 논문에서는 신뢰도 설계 마진이나 전압의 증가 없이 칩 노후화로 인한 성능 저하를 근사계산으로 보상하는 새로운 설계 방법론을 제안한다. 이 방법은 실시간 성능 모니터링 시스템을 기반으로 하며, 최종 목표는 설계 마진을 없애고, 칩의 노후화로 인한 성능저하를 정확도를 낮추는 근사계산으로 보상하여 칩의 전력소비를 감소시키는 것이다. 제안하는 방법을 구성 요소 레벨과 마이크로 아키텍처 시스템 레벨에서 평가한 결과, 구성 요소 레벨에서는 오류의 평균제곱값에서 상당한 개선을 보여주고, 시스템 레벨에서는 큰 품질 저하 없이 노후화로 인한 성능 저하를 보상한다. 이 방법을 통해 0.4%의 면적 증가로 전력 소비를 19.8 % 감소시켰다.<br/>