[论文解读] 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 4

一句话总结

本文研究了在现代CMOS器件中，漏电流功耗是否可以准确建模为温度的线性函数。通过在28nm和7nm工艺节点上使用BSIM 4和SPICE仿真，结果表明，在40–80°C范围内，线性近似模型的误差小于5%，因此在优先考虑速度而非高精度的早期设计阶段具有适用性。

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.

研究动机与目标

• 评估亚微米CMOS工艺中线性漏电流功耗模型的准确性和计算效率。
• 识别在架构级漏电流功耗估计中，建模速度与准确性的权衡关系。
• 确定在何种条件下，漏电流功耗的线性近似足以满足设计阶段的仿真需求。
• 在不同工艺节点上，对比线性、分段线性、多项式及指数型漏电流建模技术的性能。
• 为研究人员在满足精度与性能约束的前提下，选择合适的漏电流模型提供指导。

提出的方法

• 使用简化的BSIM 4方程，以温度为变量计算亚阈值漏电流功耗，参数经校准以在45°C时实现0.1W的漏电流。
• 对28nm HVT和LVT MOSFET以及7nm FinFET进行SPICE仿真，采用预测模型验证漏电流-温度特性。
• 对基于BSIM的数据拟合线性和二次近似模型，并计算相对于完整模型的百分比误差。
• 使用MATLAB评估在40–80°C温度范围内（0.1°C步长）线性、二次和完整BSIM模型的计算时间。
• 回顾并综合先前研究（Liu et al., Biswas et al., Wan et al.）关于线性、指数及高阶多项式漏电流模型的成果。
• 实现并基准测试多种模型（线性、指数、多项式），以比较其时间复杂度与误差率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现代亚微米CMOS器件中，漏电流功耗是否近似为温度的线性函数，特别是在40–80°C工作范围内？
• RQ2 在使用线性漏电流模型与更复杂模型时，计算速度与估计准确性的权衡关系如何？
• RQ3 在28nm和7nm工艺中，分段线性、二次和指数型漏电流模型在准确性和运行时间上的表现如何比较？
• RQ4 单参考点的线性模型是否足以满足架构级功耗估计的精度需求？
• RQ5 在漏电流线性模型中使用多个展开点对估计误差和计算成本有何影响？

主要发现

• 在28nm和7nm工艺中，40–80°C温度范围内，线性漏电流模型的功耗估计误差小于5%。
• 线性模型的计算时间仅为18.73微秒，相比完整BSIM 4方程（74.18 μs）减少了75%。
• 二次模型将误差降低至1%以下，计算时间仅增加12%（21.95 μs），展现出优异的准确率-效率权衡。
• 根据先前研究，采用三段的分段线性模型可将误差降至0.69%以下，同时保持较低的计算开销。
• 指数模型的计算时间相比线性模型增加超过100%，且精度提升微乎其微，不具合理性。
• 高阶模型（如四次多项式）的时间复杂度显著增加（80.04 μs），且在三次多项式之后精度提升微乎其微。