● Intel의 역점에 가까운 임계 전압 (Near-Threshold Voltage) "회로 기술
Intel의 연구 부문이 개최하는 컨퍼런스 "Research @ Intel 2012".
10 주년인 이번에는 미국 샌프란 시스코의 Yerba Buena Center for the Arts에서 개최되었다. 이벤트는 오프닝 연구 부문을 이끄는 Justin R. Rattner (저스틴 · R · 라트 나) 씨 (Senior Fellow, Chief Technology Officer, Intel)가 등장, 회사의 연구 활동에 대해 강연하였다. 이 기사에서는, 회장에 전시된 Intel의 연구 활동 중에서, 포인트가 되는 것을 픽업해서 소개하고 싶다.
Rattner 씨가 2012 년, 5 대 핵심 기술로 든 것은 "가까운 임계 전압 (Near-Threshold Voltage)"회로 기술이다.
이번 Research @ Intel에도 이 기술의 전시가 행해졌다.
현재 CPU는 동작 전압을 일정 수준 이하로 떨어뜨려 안정적으로 동작시키는 것이 어렵다. 이를 위해 고성능 CPU는 저전력 동작을 시킬 수 없다. 그러나 Near-Threshold Voltage (NTV) 기술을 사용하여 논리 회로의 동작 전압을 문턱 전압 근처까지 떨어뜨려 작동할 수 있게 된다.
그러면 동적 전압 및 주파수 전환을 더 낮은 성능과 높은 전력 효율 측면까지 떨어뜨리는 것이 가능하게 된다. 다시 말하면, 아래의 차트와 같이 된다. 전압과 주파수를 단계적으로 바꾸는 것으로, 부하에 대한 성능과 전력을 최적화하고 있다. 그것을 더 아래로 늘리는 것으로, 동작하면서 전력을 떨어뜨리는 것이 가능하게 된다.
Intel의 파워 성능 전략
이 기술이 왜 중요 한가하면, 그것은 가장 에너지 효율적인 포인트가 문턱 전압 근처의 작동에 있기 때문이다. 전압의 제곱이 소비 전력이기 때문에 전압이 떨어지면 점점 소비전력 효율이 높아진다. 그러나 문턱 전압에 도달하면 안정적으로 동작 가능한 주파수가 급격히 떨어지기 때문에 일정 시점에서 전력 효율이 떨어지기 시작한다.
아래 차트는 Intel의 Near-Threshold Voltage 기술을 사용한 32nm 프로세스의 시작 프로세서 "Claremont"의 것으로, 동작 주파수와 소비 전력을 보여준다. 0.4V 아래로 되면 동작 주파수가 급격히 떨어진다. 따라서 0.45V 전후가 가장 전력 효율적인 포인트가 된다. 보통 1.2V에서 동작할 때와 비교하면, 전력 효율은 4.7 배나 된다. 즉, 현재의 고속 CPU가 부하가 작을 때 동작 주파수를 100MHz 이하로 낮추고 전압을 훨씬 낮춰 초저전력 모드로 들어간다는 것이다.
● 22nm 프로세스의 NTV 테스트 SIMD 회로의 프레젠 테이션
이번 Research @ Intel에서 Intel은 22nm 공정으로 제조한 Near-Threshold Voltage (NTV) 기술 SIMD 파 음소거 엔진 프레 젠 테이션을 하고 있었다. 22nm 3D 트랜지스터의 첫 Near-Threshold Voltage (NTV) 회로는 "ISSCC (IEEE International Solid-State Circuits Conference) 2012"에서 발표한 것과 기본적으로 같다. 이번 행사에서 시연한 것은 학회를 제외하고는 지금까지 나오지 않았던 프레젠 테이션이다. 이 프로토 타입 회로 블록은 4-way에서 32-way까지 SIMD 엔진에서 280mV ~ 1.1V 범위안에서 작동한다.
Intel의 Near-Threshold Voltage (NTV) 기술의 포인트는 Body 바이어스 기술을 사용하지 않고 실현하고 있는 점. "문턱 전압 이하 및 문턱 전압 근처에서 동작 기술은 새로운 것이 아니라, 이전부터 있었던 것이다.
그러나, 우리는 Body 바이어스를 사용하지 않고 수행하는 방법을 택했다. 여기에는 여러 장점이 있다 새로운 공정 기술에 대응하기 쉬운 것도 이점이다 "라고 Intel은 설명한다. 예를 들면, 이번 22nm의 시작 SIMD 블록 레지스터 파일에 채용한 "Shared P / N Dual-Ended Transmission Gate (DETG)"등, 저전압시 안정적인 동작을 하는 다양한 회로 설계 기법을 담고있다. 이 시험은 일반적인 메모리 셀이 아닌 DETG 셀을 사용하여 동일한 딜레이 타임 Vmin을 150mV 감소시킬 수 있고, 또한 공유 P / N함으로써 Vmin을 125mV 낮출 수 있었다고 Intel 은 설명하고 있다.
Intel이 이 기술을 중시하고 있는 것은,이 기술은 고성능 슈퍼 컴퓨터와 저가형 모바일 모두 큰 혜택을 받을 수 있기 때문이다. 향후의 프로세서는 반드시 전력과 전력 밀도가 제약 조건이 된다. 이것을 타파하려면, 전력 효율성을 제고하면서 최대 성능을 올리는 방법 밖에 없다. 그것은 프로세서의 성능 / 전압 확장성을 넓히는 것이라는 게 Intel의 생각이다. 그리고 같은 기술은 모바일 때 항상 프로세서를 On 상태로 유지해도 전력 소비를 최소화하여 억제할 수 있다는 이점이 된다.
Intel의 Near-Threshold Voltage (NTV)은, 동사가 최근 ISSCC 및 VLSI Symposium 등에 게재한 회로 설계 논문의 상당 부분이 해당 기술에 관한 것으로 되어 있다. 시작도 활발하게 하고 있다 (32nm으로 레지스터 파일과 CPU 코어, 22nm로 SIMD 엔진). 그렇다고는 해도, 아직 Intel은 Near-Threshold Voltage 회로 기술을 양산 CPU에 채용할 계획은 밝히지 않았다. 회로 오버헤드는 Intel 프로세서 전체로 보면 그다지 큰 영향은 없다고 설명하 고있다. Intel의 연구 부문은 힘을 쏟고 있지만 실제 제품에 어떻게 반영되는지, 전혀 보이지 않는 상황이다.
● 48 코어 리서치 칩을 사용한 모바일 제어
Intel의 연구 부서는 매니 코어의 연구를 위해 48 개의 CPU 코어를 원칩에 실린 '단일 칩 클라우드 컴퓨팅 (Single-chip Cloud Computer = SCC) "를 시작했다. 이 칩은 2009 년에 발표되었지만, 그 열매 실리콘을 사용한 응용 프로그램의 실증 실험도 진행되고 있다. 이번 Research @ Intel 2012는 48 코어 클라우드 칩을 태블릿과 같은 모바일 장치에 사용했을 경우를 상정한 전원 제어 애플리케이션의 데모가 행해졌다.
무엇보다, 48 코어 칩 자체는 전력 소비가 크기 때문에 실제 데모에는 사용되지 않는다. 어디까지나 컨셉 데모에서 타블렛으로 여러 응용 프로그램을 별도의 CPU 코어로 동작시켜, 중요하지 않은 백 애플리케이션을 달리는 코어 주파수와 전압을 떨어뜨리는 것을 시뮬레이션하는 데모 (실제로 영화)가 행해졌다.
좀 더 자세히 설명하면, 본 연구 칩은 48 개의 Pentium (P54C) 코어를 탑재하고 있다. Pentium 코어 2 개씩 쌍으로 되어 1 개의 타일을 형성하고 있다. 총 24 개의 타일이 메쉬 네트워크에서 상호 연결되어 있다. 그리고 4 개의 타일마다 1 개의 전압 섬을 형성하고 있다.
즉, 48 코어는 8 코어 씩 6 지역으로 나뉘어져 있으며, 6 지역 각각 다른 전압을 가지고 갈 수 있다. 그리고, 동작 주파수는 2 코어 타일마다 변경할 수 있다. 6 개의 서로 다른 전압 영역과 24 가지 주파수 영역에서 48 개의 CPU 코어를 구동할 수 있다. 따라서 부하가 낮은 작업을 하나의 전압 섬에 모으면 각 타일의 주파수를 낮추고 전압을 직전까지 내리는 것으로, 칩 전체의 전력을 낮출 수 있게 된다.
미래에는 모바일 프로세서가 수십 개의 코어를 싣게되기 때문에 이러한 제어도 현실성을 띠고 있다. 또한 Near-Threshold Voltage (NTV) 기술을 이러한 모바일 칩에 추가하면 부하가 낮은 코어 전압을 더욱 낮출 수 있으며 소비전력을 더 낮출 수 있게 된다. 이벤트 설명을 하고 있었던 연구원도 매니 코어에 Near-Threshold Voltage (NTV)의 적용이 바람직하다고 말하고 있었다.
무엇보다, 현실적으로는 여러 전압 영역에 다른 전압을 공급하기 위해서는, 볼티지 레귤레이터 (VR)의 채널 수가 많이 필요하게 된다. 이것에 대해서는, 볼티지 레귤레이터 (VR)의 온 다이 (On-Die) 화가 향후 적용할 수 있는 것이라고 Intel은 설명하고 있다. 또한 현재의 연구 칩은 호모 지니어스 (Homogeneous : 균질) SMP (Symmetric Multi-Processing) 구성이지만, 향후 이기종 (Heterogeneous : 이종 혼합) 멀티 코어의 시작도 계획에 넣고 있다고 한다.
● NIC 패킷 버퍼를 이용한 CPU - Off 커뮤니케이션
절전 관계에서는 이 외에도 프로세서를 절전 상태로 유지하면서 네트워크를 통해 데이터를 수신하는 네트워크 컨트롤러 기술이 전시되었다. 현재는 네트워크를 통해 데이터를 업데이트하려고 하면 메인 CPU를 활성 상태로 해야 한다. 그것을 피하기 위해 NIC 펌웨어를 확장 실험을 행했다고 한다. CPU가 절전 때 전자 메일이나 페이스북 등 SNS의 업데이트 등 NIC를 대신해서 CPU가 절전 모드에서 복귀 단계의 CPU로 전달한다. 무엇보다, 이것에는 약간의 트릭이 있다.
개선 펌웨어는 프로세서가 슬립 모드에 NIC만을 작동시켜 먼저 패킷 필터링을 수행해서 불필요한 인 커밍 패킷을 폐기한다. 예를 들어, 프린트 요청 등은 필터링하게 된다. 그런 다음 필요한 패킷만을, NIC 내장 패킷 버퍼 (일반적으로 오버플로우 방지를 위한 버퍼)에 저장한다.
CPU는 복귀시 NIC에서 저장 되어 있던 패킷을 버퍼에서 수신 응용 프로그램이 각각 메일의 본문과 SNS 업데이트 본체를 서버에 요청한다. 그것으로 업데이트된다. 기존 NIC 패킷 버퍼를 이용한 펌웨어 트릭을 실현하기 위해 구현은 매우 간단하다고 Intel은 설명한다. 그러나 버퍼는 실제로는 매우 작기 때문에, 대응할 수 있는 패킷은 상당히 제한된다. I / O 방향을 관리하는 마이크로 컨트롤러가 항상 데이터를 받도록 하는 솔루션과는 차원이 다르다.
● 태양 전지 패널을 사용해서 노트 PC의 전원을 공급
Research @ Intel 2012의 절전 기술의 마지막은 노트북 PC와 모바일 장치에서 태양 전지 패널 충전 제안이다. 오늘날, 태양 전지 패널이 고가로 판매되고 있는 것은 패널 측에 다양한 전자 부품이 실려 있기 때문이라고 한다. 특히, 배터리, 배터리 충전기, 전압 조정기, 마이크로 컨트롤러, MPPT 내장 DC / DC 컨버터가 탑재되어 있다. 하지만 노트북 PC 패널에서 직접 공급하는 입력이 있으면 비용을 낮추고, 노트북 PC 용 태양 전지 패널을 보급시킬 수있을 것이라고 한다.
구체적으로는, Intel의 연구 부문에서는 USB 전력선을 사용한 구현을 상정하고 있다고 한다. 솔라 패널 측은 USB 컨트롤러 조차 구현하지 않고, USB 전력선에서 그대로 공급한다. 노트 PC 등 모바일 디바이스 측면에서 새로운 USB 전원 관리 충전기를 구현하고 USB 전력선을 통해 공급되는 다양한 전력 소스를 관리하게 된다. 배터리를 충전하거나 배터리에서의 공급과 혼합하거나 다양한 방법을 취할 수 있도록 하는 것이 바람직하다고 한다.
Research @ Intel 2012에 소개된 절전 기술만을 개관했지만, 실제로는 이벤트에는 이 외에도 다양한 테마 전시와 프레젠테이션이 행해지고 있었다. 나중에 기사에서는 그 중 독특한 물건을 픽업해서 소개하고 싶다.
: - Research @ Intel 2012에서 공개된 Intel의 저전력 기술
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