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システムLSIのブレイクスルー技術① 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）(1)

投稿者： 曽根田 光生

久々にシステムLSI記事を更新します。今回は動的電圧周波数スケーリング（DVFS）の概要についてお伝えします。

DVFSとは

動的電圧周波数スケーリング（Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS）は、プロセッサの処理量（負荷）の大小に応じて、電源電圧およびクロック周波数を動的（適応的）に切り替える技術です。これにより、必要な性能を維持しつつ、消費電力を最適化し、発熱を抑えることができます。

このDVFSによるクロック周波数/電源電圧の動的切り替えについて、表１に示します。

表1 DVFSのクロック周波数/電源電圧動的切り替えとアプリケーション

各種システムLSI（SoC）やプロセッサでは低消費電力化を図るために動的電圧周波数スケーリング（DVFS）が広く導入されています。例えば、SoCの負荷が低いときには動作周波数及び電源電圧を下げ、低消費電力化を図ります。一方、高負荷時には高性能を必要とするアプリケーションに対して、周波数及び電源電圧を上げて高速処理を可能にします。DVFSは負荷の大小に応じて動的に最適な電圧/周波数を割り当て、低消費電力化を図る手法です。

各クロック周波数/電圧における具体的なアプリケーションは概ね下記の通りです。

2GHz/1.2V:AIモデルの学習や推論、ゲーム、ビデオ編集、画像認識、画像生成、画像処理タスク（高解像度）など、高負荷の作業時に切り替えます。
1.5GHz/1V:自然言語処理や音声認識など、中程度の負荷の作業時に切り替えます。
0.8GHz/0.5V:画像処理タスク（低解像度）、長時間かけて良い推論、Office作業、Web閲覧、スリープモードなど、低負荷の作業時に動的切り替えを実施します。

DVFSで用いられている負荷検出手段（MPUの例）

MPUにおいてDVFSで用いられている負荷検出手段を表2に示します。DVFSはMPUのみならず、モバイルプロセッサ、GPU, ECU 等で広く実用化されています。

表2 DVFSで用いられている負荷検出手段（MPUの例）

各半導体企業のソリューション例

各半導体企業が得意なアプリケーション、ハードウェアの競争力を高めるDVFS技術を提供しています。それぞれ簡単に説明します。

DVFSの種類概要
NVIDIA 「GPU Boost」GPUの電力管理を実現のための技術で、一部のGPUシリーズに搭載されています。
AMD GPU 「PowerTune」AMDの「PowerTune」は、エネルギー消費の削減に加え、コンピュータの冷却によって発生する騒音レベルを下げ、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。(wikipedia)
Intel MPU, GPU「DVFS」Intelは、MPU（マイクロプロセッサユニット）およびGPU（グラフィックスプロセッサユニット）においてDVFS技術を採用しています。これにより、プロセッサの動作周波数と電圧を動的に調整し、効率的な電力管理を実現しています。
Appleスマホ用プロセッサ Aシリーズ「DVFS」AppleのAシリーズプロセッサもDVFS技術を活用しています。これにより、iPhoneやiPadのパフォーマンスを最適化しつつ、バッテリー寿命を延ばすことができます。

DVFSは、現代のプロセッサにおいて不可欠な技術であり、各企業が独自のソリューションを提供しています。これにより、パフォーマンスと電力効率のバランスを取ることが可能となり、ユーザーにとって快適な使用体験を提供します。

次回はDVFSのブロック図、及び動作原理についてご説明します。

システムLSIのブレイクスルー技術② 動的電圧周波数スケーリング（DVFS）(2)
曽根田 光生

曽根田 光生

電気通信大学卒業。ソニー（株）で画像信号処理用LSI、ビデオメモリ、A/Dコンバータ、MPEG2チップの設計/商品化、低消費電力技術及びプレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。ISSCC及びVLSI Circuitsのプログラム委員を歴任。工業所有権協力センター（財団）にて特許の先行技術調査を担当。 2023年ディー・クルー・テクノロジーズ（株）に入社。特許、半導体設計、技術人材育成等の業務に携わっている。
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