[論文レビュー] Is Leakage Power a Linear Function of Temperature?

Hameedah Sultan, Shashank Varshney+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Parallel Computing and Optimization Techniques参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、現代のCMOSデバイスにおけるリーク電力が温度の線形関数として正確にモデル化できるかどうかを調査している。28nmおよび7nmプロセスにおけるBSIM 4およびSPICEシミュレーションを用いて、40–80°Cの温度範囲で線形近似が5%未満の誤差で収まることが示され、速度が精度よりも優先される初期段階の設計に適している。

ABSTRACT

In this work, we present a study of the leakage power modeling techniques commonly used in the architecture community. We further provide an analysis of the error in leakage power estimation using the various modeling techniques. We strongly believe that this study will help researchers determine an appropriate leakage model to use in their work, based on the desired modeling accuracy and speed.

研究の動機と目的

• サブミクロンCMOS技術における線形リーク電力モデルの正確性と計算効率を評価すること。
• アーキテクチャ的リーク電力推定におけるモデル化速度と精度のトレードオフを特定すること。
• 設計段階のシミュレーションにおいてリーク電力の線形近似が十分である条件を特定すること。
• さまざまなプロセスノードにおける線形、区分線形、多項式、指数関数的モデルのリークモデリング技術を比較すること。
• 必要とされる精度と性能制約に基づいて、研究者が適切なリークモデルを選択できるようにガイドすること。

提案手法

• 簡略化されたBSIM 4式を用いて、温度関数としてサブスレッショルドリーク電力を計算し、45°Cで0.1Wのリークを達成するようにパラメータをキャリブレーションした。
• 予測モデルを用いて28nm HVTおよびLVT MOSFET、および7nm FinFETのSPICEシミュレーションを実施し、リーク-温度特性を検証した。
• BSIMベースのデータに線形および2次近似をフィットさせ、フルモデルとのパcent誤差を計算した。
• MATLABを用いて、温度範囲（40–80°C、0.1°Cステップ）において線形、2次、フルBSIMモデルの計算時間を評価した。
• Liuら、Biswasら、Wanらの先行研究（線形、指数関数的、高次多項式リークモデル）をレビューおよび統合した。
• 線形、指数関数的、多項式モデルを実装し、ベンチマークを実施して時間計算量と誤差率を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代のサブミクロンCMOSデバイス、特に40–80°Cの動作範囲において、リーク電力は温度に対して近似的に線形的か？
• RQ2 より複雑なモデルと比較して、線形リーク電力モデルを用いる場合の計算速度と推定精度のトレードオフは何か？
• RQ3 28nmおよび7nmプロセスにおいて、区分線形、2次、指数関数的リークモデルは、精度と実行時間の点でどのように比較できるか？
• RQ4 1つの基準点を用いた線形モデルは、アーキテクチャレベルの電力推定において十分な精度を提供できるか？
• RQ5 線形リークモデルに複数の展開点を用いることで、推定誤差と計算コストにどのような影響があるか？

主な発見

• 28nmおよび7nmプロセスにおいて、40–80°Cの温度範囲で線形リーク電力モデルは、リーク電力推定誤差が5%未満である。
• 線形モデルの計算時間はわずか18.73マイクロ秒であり、フルBSIM 4式（74.18 μs）と比較して75%短縮されている。
• 2次モデルは誤差を1%未満に低下させ、計算時間はわずか12%増加（21.95 μs）に抑えられ、精度と効率のバランスに優れている。
• 3セグメントの区分線形モデルは、先行研究で報告されたように誤差を0.69%未満にまで低下させつつ、計算オーバーヘッドを低く維持できる。
• 指数関数的モデルは線形モデルと比較して計算時間を100%以上増加させ、わずかな精度向上では見合わない。
• 高次モデル（例：4次多項式）は時間計算量を著しく増加させ（80.04 μs）、立方体モデルを超える精度向上は見られない。