Моделирование влияния резервирования на энергопотребление самосинхронных схем

Благодаря свойству функционирования независимо от задержек, а значит и от условий среды, а также заметно меньшему энергопотреблению, по сравнению с синхронными аналогами, самосинхронная схемотехника стала активно развиваться для применения в мобильной вычислительной технике (ВТ) и в ВТ для критических систем применения. Эти свойства были использованы при построении вычислительных систем с адаптивным питанием [1].

В таких системах быстродействие и энергопотребление выступают в роли динамических параметров. Если нет необходимости в высоком быстродействии, происходит снижение напряжения питания и операции выполняются медленно. Однако такой подход ведет к увеличению вероятности сбоя [2, 3], поэтому возникает потребность в совершенствовании методов повышения надежности, с учетом специфики самосинхронных схем. По- вышение надежности цифрового устройства неизбежно связано с увеличением числа транзисторов, т. е., как правило, ведет и к росту энергопотребления, и к снижению частоты работы. В статье приводятся и анализируются результаты моделирования отказоустойчивых самосинхронных схем, спроектированных с применением различных методов резервирования.

1.    Моделирование схем и показатели оценки

В самосинхронной схемотехнике быстродействие зависит от условий, в которых работает устройство, в основном от напряжения питания и температуры. В связи с этим был предложен показатель для оценки энергопотребления – мощность, приведенная к единице частоты [4], так как операции производятся в один такт конвейера, то по сути этот показатель отражает затраты электроэнергии на операцию:

I -и

P _ ¹ CC C CC

F F

.

Замеры будут производиться на моделях самосинхронного сумматора в четырех возможных реализациях – самосинхронная, отказоустойчивая самосинхронная с резервированием каждого транзистора, отказоустойчивая самосинхронная с резервированием сетей подключения общей шины и шины питания, самосинхронное мажоритирование.

Моделирование выполнено в программном продукте NI MultiSim с использованием транзисторов моделей 2N7000 и BST122. Так как блоки спейсера и индикации не меняются, то потребление тока будем измерять для всей схемы в целом, при циклическом режиме работы. Оценка дается для двух схем, в первой (мажоритарная функция) резервирование транзисторного уровня не требует декомпозиции. Исходная реализация функции сложения по модулю два (S) представлена на рис. 1 [5].

Рис. 1. Самосинхронный двоичный сумматор

Резервирование транзисторного уровня осуществляется по функции f 1 2 _ x i x i v x i x i , т.е. каждый транзистор заменяется цепочкой транзисторов (рис. 2).

Рис. 2. Резервирование транзистора по функции f 1 2 _ x i x i v x i x i

2.    Оценка энергопотребления и быстродействия

Из-за ограничений описаний моделей переключения в ходе моделирования останавливаются при снижении напряжения питания ниже 3.5В (при исходных 5В). Кроме того, схема нормально функционирует при любом числе последовательно соединенных транзисторов. В табл. 1–2 приведены результаты моделирования отдельно для каждого элемента. На рис. 3 данные из табл. 2 представлены в виде диаграммы, которая позволит оценить влияние резервирования и изменения напряжения на энергопотребление.

Таблица.1. Параметры потребления электроэнергии для мажоритарного элемента

№	Напряжение, В	Ток, мА	Задержка, нс	Приведенная мощность, мВт/МГц
1	5	93	291	135.32
2	4.5	63	393	111.42
3	4	39	582	90.79
4	3.5	20	1002	70.14
5	5	83	337	139.86
6	4.5	57	455	116.71
7	4	35	674	94.36
8	3.5	18	1166	73.46
9	5	85	335	142.38
10	4.5	57	457	117.22
11	4	35	670	93.80
12	3.5	18	10	73.21

Таблица 2. Параметры потребления электроэнергии для элемента сложения по модулю два

№	Напряжение, В	Ток, мА	Задержка, нс	Приведенная мощность, мВт/МГц
1	5	109	360	196.20
2	4.5	76	484	165.53
3	4	47	710	133.48
4	3.5	29	1067	108.30
5	5	88	474	208.56
6	4.5	63	619	175.49
7	4	39	889	138.68
8	3.5	22	1485	114.35
9	5	90	471	211.95
10	4.5	66	615	182.66
11	4	40	887	141.92
12	3.5	22	1480	113.96
13	5	175	412	360.50
14	4.5	120	546	294.84
15	4	69	801	217.87
16	3.5	31	1230	133.46

Рис. 3. Зависимость энергопотребления на единицу частоты от напряжения питания и выбранного метода резервирования

Разница в энергопотреблении между резервированием единичного транзистора и всей цепочки подключения минимальна и укладывается в погрешность измерений. В то же время, схема с мажоритарным резервированием стабильно потребляет больше энергии на один МГц [6].

Выводы

В этой статье проанализирована первая составляющая – влияние различных методов обеспечения пассивной отказоустойчивости на энергопотребление устройства.

Умные вычислительные системы, в том числе и управляющие своим энергопотреблением, являются одним из ведущих направлений развития электроники, так современные процессоры Intel уже используют этот механизм, однако все еще в сочетании с синхронной архитектурой [7]. Самосинхронная схемотехника дает неоспоримые преимущества в виде широкого диапазона работоспособности, тесты самосинхронных устройств подтвердили их работу на ультранизком напряжении питания, а также возможность работы при сверхнизких температурах. Таким образом, самосинхронная схемотехника становится базовым решением для вычислительных систем с адаптивным питанием. При этом для отказоустойчивых систем развитие происходит в том же направлении, ведь резкое падение напряжения можно рассматривать и как неисправность в работе устройства, а значит, появление устойчивости к этим неисправностям повысит надежность. При этом необходимо учитывать взаимное влияние энергосбережения и надежности.