LSI

昨今はチャージリサイクリングによる低消費電力化の研究が活発です。その１つを今日はお話します。

チャージリサイクリングでViを下げる

以前の記事で解説した数式を１つ思い出していただきたいのですが、CMOSLSIの消費電力の算出で、Ｐｃは(1)「Ｃ・Ｖｉ・Ｖｅ・ｆ」もしくは(2)「Ｃ・Ｖｅ2・ｆ」で表されます、と申し上げました。このうちＶｉを、「チャージリサイクリング」と呼ばれる低消費電力化を図る技術についてご紹介します。

チャージリサイクリング技術とは？

ブログをご覧の皆様には基本的レベルの事ですが、重要なのであえて申し上げますと、ＬＳＩの内部ノードは、演算動作に応じてＶｅと０の間を遷移します。内部ノードを、０→Ｖｅにする時は電源から所定のノードへ電荷を供給し、Ｖｅ→０にする時はノードの電荷をＧＮＤへ引き抜いています。

演算動作中、演算を実施しているノードと、これから演算を開始するノードがＬＳＩ内で同時に存在します。すなわち“Ｖｅ”へ充電したいノードと“０”へ放電したいノードが混在する。ということが頻発します。この状態でノード毎に充放電すれば、当たり前ですが消費電力量は増えますね。

チャージリサイクリングとは、あるノードをＶｅ→０にする時、その電荷をすべてＧＮＤへ捨てるのはもったいないので、電荷の一部を０→Ｖｅにしたい別ノードへ渡して再利用する技術なのです。

なんとも賢い方法ですね。原理図を示します。

チャージリサイクリングのメカニズム

メカニズムを簡単に説明します。

ノード[A]、[B]を各々Ｖｅ→０、０→Ｖｅにする場合、ｔ１のタイミングでＳ１をＯＮさせ電荷分配によってノード[A]および[B]をＶｅ／２にします。次いでｔ２のタイミングでＳ２（ＧＮＤ側スイッチ）、Ｓ３（電源側スイッチ）をＯＮし、ノード[A]、[B]を各々目標のＶｅ／２→０、Ｖｅ／２→Ｖｅにします。この過程において、ノード[A]の放電する電荷の１／２はノード[B]を充電するために再利用されている。このチャージリサイクリング技術によって、消費電力を１／２に低減する事ができるわけです。

チャージリサイクリング技術の強誘電体メモリ応用例

さらに、図17にこの技術を強誘電体メモリ(FeRAM)へと応用した事例を示します。従来強誘電体メモリは、セルプレート線に容量値の大きい強誘電体メモリセルが接続されており、その充放電時の消費電力が大きな問題でした。

メモリアクセスによってセルプレート選択線ＣＰ１＝“１”（選択）からＣＰ２＝“１”へ切り換えるとき、まず、電荷回収用容量線ＣＰ０とＣＰ１をＳW１によってＯＮさせ、ＣＰ１とＣＰ０とを電荷分配させる。この時、ＣＰ１の電荷の一部がＣＰ０へと転送されます。次にＣＰ０とＣＰ２をＳW２によってＯＮさせると、ＣＰ０の電荷の一部がＣＰ２へ転送されます。
すなわち、放電すべきＣＰ１の電荷の一部が、スイッチドキャパシタ動作によってＣＰ１→ＣＰ０→ＣＰ２のパスで、充電すべきＣＰ２で再利用することができるのですね。この時 ＣＰｎ／ＣＰ０値を最適化すれば、およそ５０％近い電荷再利用効率を得る事ができた、という事例になります。

「容量の充放電」がポイント

ポイントは、ＣＭＯＳＬＳＩで使われる電力のほとんどが「容量の充放電」で費やされている事実です。ですから、チャージリサイクリングのような「容量の充放電」をコントロールする技術は低消費電力化において重要な技術です。言い換えるなら、LSI回路設計における低消費電力化とは「ある大きな容量のノードを放電する時、その電荷をどこか他のノードに利用できないか？」が本質といっても過言ではありません。（その解決策を考えるのがLSI技術者の面白いところでもありますね）

さて、システムLSIの低消費電力化技術についてはひとまず終え、次はDVFSについてご紹介できればと思います。

今日はアルゴリズムの工夫による低消費電力化についてです。

動画処理の世界では、動画をフレームで記録する際に、データ線の遷移確率を減らすデータ表現等が次々に発表されていきました。今日は私が以前映像録画機器で用いた事例として「符号付き絶対値表現」を用いた低消費電力化手法を紹介いたします。

ビデオ信号のフレーム差分データ処理

記録中の映像フレームで、絵の一部が動いたか、そうではないか、をLSIで検出処理する場合、現在のフレームと１フレーム前とのビデオ信号の差を判別する処理が必要となります。15図で示した通り、この時必要なフレーム差分データは、一般に大きな容量ノードであるバスラインあるいはチップ外へ出力されることが多いので、消費電力が大きくなりがちです。またビデオ信号はフレーム間の相関が大きく、差分処理の出力が、「少し大きい」あるいは「少し小さい」値となる場合が多いです。

デジタルデータで処理する場合、通常「２の補数」で表現します。図１５にも示しましたが、１サンプルごとにＭＳＢからＬＳＢまで表現する場合、ほとんどのビットが赤数字で示したようにデータ遷移してしまいます。このビットのデータ遷移＝電力消費の発生ですから、大きな電力消費をしていることになります。

符号付き絶対値表現

これに対し図１５の中央のように「符号付き絶対値表現」を用いますと、この仕組みでは専用の符号ビットを持たせていますので、符号ビット自身は頻繁にデータ遷移しますが、一方で絶対値データ値のビット（ＬＳＢ近傍を除く）はほとんどデータ遷移しません。データ遷移がなければ電力消費しないので、「符号付き絶対値表現」を用いると、データバスやＬＳＩチップ間配線の様な（消費電力が大きくなる）大容量ノードでのデータ遷移の確率を減らすので、十分な低消費電力化が見込めます。

この方法によって、世の中のビデオカメラの画像信号のフレーム間処理や、水平走査線間処理等の相関の大きな信号処理の低消費電力化に成功するなど、家庭録画機器の低消費電力化と性能アップに特に有効な手法となりました。

次はチャージリサイクリングによる低消費電力化について、ご紹介します。

今日は、アーキテクチャの工夫による低消費電力化の方法です。

アーキテクチャの工夫による低消費電力化の方法として、並列処理、パイプライン処理が従来よりある処理技術として有名です。

並列処理

そのうちの１つ、並列処理の概略図を（図14）に示します。例えば、ある演算器を２つ並列に配置します。この配置ですと演算機１つの場合と比較して、同一スループットに対して演算サイクルタイムを２倍に広げる事ができます。という事は動作周波数を１／２に下げられるので、電源電圧Ｖｅを約1/3にする低消費電力化が図れることになります。　

　ただしデメリットもあります。並列２系統の回路が必要ですから、当然ながらチップ面積が大きくなりますので、システムＬＳＩのコスト（またはチップサイズ）と消費電力とはトレードオフの関係になりますので、並列処理はとにかく低消費電力を重視する製品向けのＬＳＩに適した方式であると言えます。