Spremere I Margini

Nel 2016, abbiamo esaminato il MediaTek Helio X20, il primo SoC mobile Tri-Gear. Tri-Gear è un passo oltre il concetto big.LITTLE di ARM di utilizzare due diversi core che hanno caratteristiche di potenza e prestazioni uniche, aggiungendo un terzo core. Il vantaggio principale di questo approccio è avere più scelte fondamentali per eseguire al meglio i carichi di lavoro in punti operativi con efficienza energetica e prestazioni migliori.

In questo anno di 70^th ISSCC tenutasi a San Francisco, in California, MediaTek ha presentato un documento intitolato "Un SoC 5G Mobile Gaming-Centric con High-Performance Thermal Management in 4nm FinFET"^, utilizzando un'implementazione Tri-Gear ARMv9. Il design è composto da 4 core Cortex-A510 ad alta efficienza, 3 core Cortex-A710 con prestazioni di bilanciamento e 1 core Cortex-X2 ad alte prestazioni per un'implementazione "octa-core" a 8 core.

Fig. 1

La Figura 1 mostra le curve di potenza rispetto alle prestazioni per i 3 diversi tipi di core. Il design include anche un'unità grafica 710D ARM Mali-G3. Come menziona il titolo, il SoC è una parte incentrata sul gioco mobile e le prestazioni del sistema sono limitate da vincoli termici, ovvero il sistema potrebbe funzionare a voltaggio e frequenza più elevati, ma l'ambiente mobile limita le possibilità di raffreddamento, quindi è necessario a volte per fare marcia indietro rispetto al punto operativo con le prestazioni più elevate. Maggiore è l'imprecisione presente nel sistema di gestione termica, maggiore è il margine che deve essere utilizzato per assicurarsi che il SoC rimanga entro i suoi limiti termici. Questo margine si presenta come l'esecuzione del sistema a frequenze di clock inferiori (e possibilmente tensioni) per assicurarsi che il sistema non superi la sua temperatura massima di approvazione, T_max.

Fig. 2

La Figura 2 mostra come la soglia utilizzata durante lo scenario di potenza peggiore attiverebbe la limitazione del clock prima rispetto all'utilizzo di uno schema di soglia più intelligente che potrebbe comunque mantenere la temperatura del sistema al di sotto della T_max(Sign-off) temperatura. Più accuratamente è possibile prevedere la risposta termica, maggiori sono le prestazioni che possono essere estratte dal sistema impostando la soglia più alta e consentendo al sistema di funzionare più spesso a una frequenza di clock più elevata.

Fig. 3

La Figura 3 mostra un semplice diagramma a blocchi del monitor e del sensore utilizzati come ingressi nel Power Predictor per impostare la temperatura di soglia. Tutto questo è anche legato al sistema operativo e il sistema operativo utilizza la conoscenza del carico di lavoro corrente per aiutare a fare previsioni migliori. Tutto questo fa parte di uno schema di programmazione in base a energia/temperatura (E/TAS) per migliorare le prestazioni del sistema pur continuando a funzionare al di sotto del limite T_max.

Fig. 4

La Figura 4 mostra un confronto tra il sistema di gestione termica migliorato incorporato nel lavoro descritto nel documento e lo schema di throttling globale originale e come la temperatura mostri una variazione minore durante l'esecuzione del carico di lavoro del banco di prova indicato.

Tabella 1

I risultati sono mostrati sopra nella Tabella 1 per il controllo Smart Frame-Per-Second (FPS) degli autori, che è un controller a circuito chiuso costituito dalla previsione del carico di lavoro che prende in considerazione anche la temperatura del PCB. I risultati mostrano un certo miglioramento nella media. FPS con miglioramenti più marcati nell'aumentare l'FPS minimo, portando a un'esperienza di videogioco più fluida.

Mentre gli ingegneri lavorano per ottenere maggiore efficienza dal loro hardware, continueremo a vedere tecniche più sofisticate per monitorare i sistemi e per regolare rapidamente le frequenze di clock. L'integrazione di questi hook consente di ottenere sistemi che possono essere ottimizzati per soddisfare le loro applicazioni e ambienti operativi. Ciò ne consente anche l'uso in un insieme più ampio di applicazioni con una migliore efficienza energetica.

[1] Bo-Jr Huang, ed. Al., "Un SoC 5G Mobile Gaming-Centric con High-Performance Thermal Management in 4nm FinFET", ISSCC, pp. 40-42, 2023.