طراحی سیستم‌های دیجیتال کم‌توان

هدف از این درس آشنایی دانشجویان با روش‌های طراحی برای کاهش توان مصرفی، کاهش انرژی مصرفی و مدیریت گرما در کامپیوترها و سیستم‌های دیجیتال است. در این درس انواع روش‌های طراحی در سطوح تجرید مختلف از سطح تجرید مدار تا سطح تجرید سیستم مورد توجه قرار می‌گیرد.

1. تعاریف، کلیات و مفاهیم پایه
   • اهداف طراحی: کاهش توان مصرفی لحظه‌ای، کاهش توان مصرفی متوسط، کاهش انرژی مصرفی، مدیریت دما، پرهیز از نقاط داغ (Hot Spots)
   • موانع کاهش توان مصرفی
   • انواع توان مصرفی شامل انواع توان مصرفی پویا و ایستا، مفهوم فعالیت در توان مصرفی پویا، پارامترهای تعیین‌کننده در توان و انرژی مصرفی، مدل نگهداری انرژی در باتری، توان مصرفی سوئیچ کنندگی، توان مصرفی نشتی، توان مصرفی اتصال کوتاه
   • دلایل نیاز محاسبات به مصرف انرژی
2. توان مصرفی در اتصالات
   • کاهش دامنه‌ی تغییر ولتاژ (Voltage Swing)
   • روش‌های کد کردن اطلاعات برای کاهش توان و انرژی مصرفی (Low-Power Encoding)، روش‌های فشرده‌سازی داده و توان مصرفی
   • روش معکوس‌سازی گذرگاه (Bus Inverting)، افراز گذرگاه برای بهبود توان مصرفی
   • مدولاسیون مبتنی بر گذار (Transition Signaling)، کاربرد کدهای با وزن همینگ محدود در کاهش توان مصرفی (Limited Weighted Codes)
   • مقایسه روش معکوس‌سازی گذرگاه با روش محدود‌سازی وزن همینگ
3. روش‌های سطح مدار برای مدیریت توان و انرژی مصرفی
   • روش استفاده از سطوح مختلف ولتاژ آستانه (Multi Threshold)
   • روش استفاده از سطوح مختلف ولتاژ تغذیه (Multi VDD)، مشکل روش Multi VDD برای توان مصرفی اتصال کوتاه، استفاده از بافرهای SDCVSL
   • الگوریتم مکاشفه‌ای (heuristic) ساختار CVS
   • دلایل استفاده از الگوریتم‌ها و روش‌های مکاشفه‌ای در این حوزه
4. روش‌های سطح گیت یا سطح منطق برای مدیریت توان و انرژی مصرفی
   • تخمین فعالیت در سطح منطق، مشکل شاخه‌های انشعاب همگرا (Re-convergent Fan-out) برای تخمین فعالیت
   • روش کاهش توان مصرفی با تجزیه و نگاشت در ابزارهای سنتز
   • روش جابه‌جا کردن ورودی‌ها، جابه‌جا کردن گیت‌ها (و ترانزیستورها)
   • روش افزونگی و همروندی (CR) و اهمیت آن به‌عنوان یک روش مبنایی
   • تخمین فعالیت در مدارهای ترتیبی (FSM) با مدل مارکوف گسسته
   • تخصیص کد برای کاهش توان مصرفی در FSM
5. روش‌های سطح انتقال ثبات (RTL) برای مدیریت توان و انرژی مصرفی
   • روش قطع کردن سیگنال ساعت (Clock Gating)، حل مشکل انحراف سیگنال ساعت (Clock Skew) و glitchها در سیگنال ساعت برای این روش
   • روش مستقل‌سازی عملوندها (Operand Isolation)
   • روش CR در سطح تجرید انتقال ثبات
   • روش پیش محاسبه برای کاهش توان مصرفی (Pre-Computation)
   • Cache کردن برای کاهش انرژی مصرفی
   • مدیریت تعداد Glitchها برای مدیریت توان و انرژی مصرفی
   • روش کنترل سطح بلوک در RTL (Block-Level Control)
   • استفاده از خط لوله (Pipeline) برای کاهش توان و انرژی مصرفی
6. روش‌های سطح سیستم برای مدیریت توان و انرژی مصرفی
   • ارتباط بی‌درنگی و روش‌های سطح تجرید سیستم
   • روش تغییر پویای ولتاژ تغذیه و فرکانس (DVFS)
   • مصالحه میان قابلیت اطمینان، انرژی مصرفی و بی‌درنگی در سیستم‌های بی‌درنگ دارای DVFS
   • روش مدیریت پویای توان (DPM)
   • روش تنظیم تطبیقی ولتاژ بدنه (ABB)
   • مقایسه‌ی DVFS، DPM و ABB
   • حل مسائل بهینه‌سازی در حوزه‌ی توان و انرژی مصرفی در سطح سیستم
7. مدارهای دیجیتال آدیاباتیک
   • قضیه‌ی مصرف توان با جریان ثابت
   • مفهوم سیستم‌های دیجیتال آدیاباتیک و تفاوت‌های آن با سیستم‌های دیجیتال کلاسیک
   • منابع تغذیه‌ی APS و یکسان بودن سیگنال ساعت با تغذیه
   • مشکل اتصال آبشاری مدارهای آدیاباتیک و حل مشکل با تودرتو سازی (Retractile)
   • اهمیت مفهوم بازگشت‌پذیری (Reversibility) در مدارهای آدیابتیک و در مصرف انرژی
   • منطق‌های آدیاباتیک مانند 2LAL و RERL
8. مدیریت دما
   • روش‌های مدل‌سازی دما با تقلید توسط مدارهای الکتریکی
   • روش‌های مدیریت دما شامل DVS و DFS (تغییر پویای فرکانس کاری)
   • کاربرد قطع کردن سیگنال ساعت در مدیریت دما
   • روش قطع کردن واکشی (Fetch Gating) در پردازنده‌ها برای مدیریت دما
   • روش مهاجرت محاسبات (Computation Migration) برای مدیریت دما
   • بحث مدیریت دما در سیستم‌های بی‌درنگ

• امتحان میان‌ترم (حدوداً ۳۵٪ با تأثیر مثبت)
• امتحان آخر ترم (حدوداً ۳۵٪ با تأثیر قطعی)
• تمرین‌ها (۱۰٪ البته در صورت تحویل ندادن نمره‌ی منفی دارد)
• پروژه (حدود ۲۰٪)