Near-Threshold Computing

Valmistustekniikoiden kehittyessä IC-piireille saadaan mahtumaan yhä enemmän transistoreja. Monimutkaisemmat piirit mahdollistavat suurempien laskutoimitusmäärien suorittamisen aikayksikössä. Piirien aktiivisuuden lisääntyessä myös niiden energiankulutus lisääntyy, ja tämä puolestaan lisää piirin lämmöntuotantoa. Liiallinen lämpö rajoittaa piirien toimintaa. Tämän takia tarvitaan tekniikoita, joilla piirien energiankulutusta saadaan pienennettyä. Uudeksi tutkimuskohteeksi ovat tulleet pienet laitteet, jotka seuraavat esimerkiksi ihmiskehon toimintaa, rakennuksia tai siltoja. Tällaisten laitteiden on oltava energiankulutukseltaan pieniä, jotta ne voivat toimia pitkiä aikoja ilman akkujen lataamista. Near-Threshold Computing on tekniikka, jolla pyritään pienentämään integroitujen piirien energiankulutusta. Periaatteena on käyttää piireillä pienempää käyttöjännitettä kuin piirivalmistaja on niille alunperin suunnitellut. Tämä hidastaa ja haittaa piirin toimintaa. Jos kuitenkin laitteen toiminnassa pystyään hyväksymään huonompi laskentateho ja pienentynyt toimintavarmuus, voidaan saavuttaa säästöä energiankulutuksessa. Tässä diplomityössä tarkastellaan Near-Threshold Computing -tekniikkaa eri näkökulmista: aluksi perustuen kirjallisuudesta löytyviin aikaisempiin tutkimuksiin, ja myöhemmin tutkimalla Near-Threshold Computing -tekniikan soveltamista kahden tapaustutkimuksen kautta. Tapaustutkimuksissa tarkastellaan FO4-invertteriä sekä 6T SRAM -solua piirisimulaatioiden avulla. Näiden komponenttien käyttäytymisen Near-Threshold Computing –jännitteillä voidaan tulkita antavan kattavan kuvan suuresta osasta tavanomaisen IC-piirin pinta-alaa ja energiankulusta. Tapaustutkimuksissa käytetään 130 nm teknologiaa, ja niissä mallinnetaan todellisia piirivalmistusprosessin tuotteita ajamalla useita Monte Carlo -simulaatioita. Tämä valmistuskustannuksiltaan huokea teknologia yhdistettynä Near-Threshold Computing -tekniikkaan mahdollistaa matalan energiankulutuksen piirien valmistaminen järkevään hintaan. Tämän diplomityön tulokset näyttävät, että Near-Threshold Computing pienentää piirien energiankulutusta merkittävästi. Toisaalta, piirien nopeus heikkenee, ja yleisesti käytetty 6T SRAM -muistisolu muuttuu epäluotettavaksi. Pidemmät polut logiikkapiireissä sekä transistorien kasvattaminen muistisoluissa osoitetaan tehokkaiksi vastatoimiksi Near- Threshold Computing -tekniikan huonoja puolia vastaan. Tulokset antavat perusteita matalan energiankulutuksen IC-piirien suunnittelussa sille, kannattaako käyttää normaalia käyttöjännitettä, vai laskea sitä, jolloin piirin hidastuminen ja epävarmempi käyttäytyminen pitää ottaa huomioon.