בסמינר שערכה לא מכבר סינופסיס בהרצליה בנושא אתגרי צריכת הספק בתכנון SoC (מערכות על גבי שבב) נכחו כ-60 מתכנני SoC ומפתחי תוכנה. הנוכחים שמעו כיצד אפשר להתמודד עם אתגרי צריכת ההספק בשלב מוקדם של התכנון בעזרת אמצעים דוגמת בניית אבות טיפוס וירטואליים. פט שרידן (Pat Sheridan), מנהל שיווק מוצר בכיר של ה-Platform Architect בסינופסיס העולמית, שביקר בישראל והרצה בסמינר, התייחס בהרחבה למגמות בתחום זה ולפתרונות שמציעה סינופסיס.

האתגרים והמגמות בתכנון SoC בצריכת הספק נמוכה

"האתגרים בתכנון SoC בצריכת הספק נמוכה הם רבים. הסיבוכיות בפיתוח מערכות SoC נובעת מהמרוץ לקראת מוצרים חכמים יותר.  בשנים האחרונות חלק גדול מהאתגרים קשור לריבוי ליבות עיבוד (multicore). המורכבות של מערכות SoC גדלה והן כוללות כעת אלמנטים רבים של עיבוד ומשאבים משותפים דוגמת זיכרון. מתכנן SoC צריך להיזהר מאד לגבי תצורת הארכיטקטורה שהוא בונה ולאזן בין הדרישות של המנועים השונים של ה-SoC.

"אתגר נוסף הוא להימנע משתי גישות קיצוניות. קיצוניות אחת היא תכנון יתר – overdesign, כמו לדוגמה במקרה שבו מתכננים SoC שעונה על דרישות גבוהות של ביצועים, אבל עם צריכת הספק גבוהה מדי. קיצוניות שניה היא תכנון חסר – underdesign, תכנון SoC שעומד בדרישות צריכת ההספק, אבל כזה שהביצועים שלו אינם גבוהים מספיק, או שאינו עומד בדד ליין לסיום הפרויקט או בציפיות של המשתמשים. כדי להתמודד עם תכנון חסר שבו הביצועים אינם מספיק טובים, מתכנני SoC מנסים לעיתים קרובות להגדיל את ה-clock rate, וכך יוצרים בעיות במימוש ובאימות שיכולות לגרום לעיכובים בלוחות הזמנים. מצד שני, בתכנון יתר, המתכננים מחמיצים את יעילות צריכת ההספק, מתכננים לעיתים קרובות מארז יקר יותר ויוצרים שרשרת של בעיות תכנון שיכולות אפילו להוביל לביטול של פרויקטים".

דברים אלה של שרידן מקבלים חיזוק מדברים שכתבה חברת המחקר VDC על פיהם המודל של תהליך הנדסת המערכות המשובצות שבור ויותר מ-40% מהפרויקטים בתחום זה מדווחים כמפגרים אחרי לוח הזמנים המתוכנן.

"המפתח המרכזי להתמודדות עם אתגרים אלה הוא לטפל בהם בשלב המוקדם ביותר האפשרי, בכדי לאזן בין דרישות הביצועים לדרישות צריכת ההספק. סינופסיס מעודדת מתכנני SoC לשנות את דרך העבודה שלהם בכדי להשיג איזון כזה. בעבר אנשים נהגו אחרת – הם ניתחו בעזרת גיליונות אלקטרוניים את ביצועי הארכיטקטורה ואת צריכת ההספק. אבל בדיקה כזו לא מייצגת את עומס העבודה של ה-SoC במסגרת שימוש במוצר, שמאופיין בהתנהגות דינמית של המערכת. ניתוח כזה מספק רק תוצאות של ממוצעים שאינן מדמים את ההתנהגות האמיתית של המערכת.

"מערכת ה-Platform Architect של סינופסיס מספקת חלופה לגיליונות אלקטרוניים, וכוללת טכנולוגיות סימולציה דוגמת Virtual Prototyping. היתרונות של מערכת זו רבים. בין היתר, היא מאפשרת לבצע סימולציה שתייצג באופן מציאותי את התנהגות ה-SoC, ומספקת חישובים מציאותיים של הביצועים הצפויים. ה-Platform Architect עושה שימוש בדיגום עומס העבודה של היישומים בכדי לאפשר ניתוח כמותי מוקדם של ההספק ושל הביצועים. הגיליונות האלקטרוניים לא משקפים את האינטראקציות הדינמיות האופייניות ל-SoC ולכן הם מוגבלים.

"כלי רלבנטי אחר של סינופסיס הוא ערכות הפיתוח מדגם Virtualizer המהוות אבות טיפוס וירטואליים המאפשרים להדגים ולבחון בשלב מוקדם את תוכנת ניהול ההספק שבה נעשה שימוש.

"הסיוט של המתכנן הוא שהוא לא יוכל לצפות התרחשויות כלשהן במערכת וסינופסיס מספקת לו תובנות על ה-SoC חודשים מוקדם מהרגיל. לעיתים המתכננים מבינים את מגבלות התכנון שלהם בשלב מאוחר מדי".

מגמות תכנון עבור צריכת הספק נמוכה בשנים הבאות

"מעל לכל, מתכנני SoC ינקטו בגישה הקרויה shift left ויעשו דברים מוקדם יותר דברים מבחינה מתודולוגית . אחד הרמזים למה שצפוי להתרחש בתחום התכנון עבור צריכת הספק נמוכה הוא הפעילות המתרחשת כבר היום סביב UPF (Unified Power Format), התקן של התעשייה לתכנון ולאימות של שבבים בעלי צריכת הספק נמוכה. בכדי למטב את תכנון צריכת ההספק, ה-UPF מניח על גבי התכנון שכבת מידע (overlay) על צריכת הספק. המשך השימוש בשכבה זו  יגביר את היכולת של מפתחים ליצור את ארכיטקטורת ההספק הנדרשת ויאפשר לכלי אימות לאמת את הנכונות של המאפיינים המודעים-להספק (power aware) של התכנון, לצד הנכונות של פונקציית התכנון. קיומו של ה-UPF יאפשר גם בעתיד לספקים של ה-IP לשתף מידע על דגמי ההספק, ויעודד אנשים שיש להם IP (קניין אינטלקטואלי) בתוך החברות להשתמש באותו פורמט בתחום ההספק.

"התפתחות נוספת התומכת במגמה זו היא יצירת שתי קבוצות עבודה חדשות של ה-IEEE בכדי לגבש סטנדרטיזציה וניהול אנרגיה ברמת המערכת ולטפל ביצירת דגמי הספק עבור התקני מערכת על גבי שבב – קבוצות P2415 ו-P2416. קבוצות העבודה ישפרו את התקנים הקיימים של תכנון עבור צריכת הספק נמוכה ומתודולוגיות אימות עבור מערכות על גבי שבב.

"בסיכומו של דבר, קיימים כיום כלי Virtual Prototyping אפקטיביים עבור תכנון ארכיטקטורה מודע להספק ופיתוח תוכנה מודע להספק. הכלים מאפשרים למתכננים ולמפתחי תוכנה להגדיר דרישות מציאותיות לתקציב צריכת ההספק של חומרת ותוכנת ה-SoC שלהם בשלב מוקדם הרבה יותר בתהליך הפיתוח. סינופסיס תמשיך לפתח כלים מסוג זה, על מנת להאיץ את החדשנות בתחום השבבים".