今日は、DVFSの元となった、動的電圧スケーリング(DVS)開発の背景をお伝えします。動的電圧スケーリング(DVS)とは?近年マーケットからLSIの低消費電力化が強く求められていく時代でありながら、従来SoCのSPECで規定されていた設計補償動作電圧では、本来欲しい動作電圧に比べて大きなマージンを含んだ電圧が必要となり、それが低消費電力化の障害となっていました。そこでDVSが登場したのです。一言で言うと、DVSは、SoC内のクリティカルパスが動作するぎりぎり最小の電源電圧Vddを適応的にSoCに供給する技術です。いうことか分かりやすくするため、動的電圧スケーリング(DVS)開発の背景を図示しました。worst条件を満足させるため、本来必要な動作電圧に比べ無駄に大きかった動作保証電圧の閾値を、右のDVSではクリティカルパスが動作するギリギリ+αの最小電圧をアダプティブにSoCに供給するため、動作電圧を低減し省電力化に貢献できます。図2にプロセスばらつき/温度変動等に対応したDVSを紹介します。SoC内部のクリティカルパスと同等の遅延時間を有するレプリカ回路を用意し、レプリカの遅延時間がクロック1周期内に入るギリギリ最小の電源電圧をSoCに供給します。DVSの効果DVSは従来型に比べどの程度省電力化に効果があるのでしょうか?図3にDVSの効果を示します。トランジスタの微細化により、サブスレッシュホールド・リーク電流が無視できなくなります。従来の固定電圧方式では、低Vthサンプルでリーク電流の増大に伴う消費電力増加が大きな問題になります。DVSを採用すると、低Vthであっても回路の高速化を図れるため、電源電圧を低減でき、低消費電力化が図れますので、製品の消費電力SPEC低減に貢献できます。DVS有り、無しにおける消費電力効果の比較DVFSによる最小電源電圧供給DVSとDVFSの違いは、一言で言うとプロセスばらつき等のworst条件において、電圧だけでなく、動作周波数も考慮に入れて最小電源電圧を供給できる点です。図4にばらつき対応DVFSのブロック図、図5にばらつき対応のDVFSによる最小電源電圧供給を示します。ばらつき対応DVFSのブロック図DVFSは、プロセスばらつき/温度変動/動作周波数に応じて、SoCが動作する最小限の電圧を適用的に供給します。Osc)からの情報がレプリカに与えられます。ばらつき対応のDVFSによる最小電源電圧供給ばらつき対応DVFSであれば、動作周波数に応じリーク電流が大きくなる条件で電源電圧を下げるので、リーク電力が保証されます。Worst条件に応じて動的にLSIが動作可能な最低限の電圧を供給します。この結果リーク電流を含めて消費電力を最小化できます。まとめ最後にDVFSのまとめを示します。1.プロセッサ系のMPU/GPU/SoCでは素子バラツキ対応を含めたDVFSが幅広く使われている。2.DVFSは負荷状態に応じて、動的に電源電圧、クロック周波数を制御する。素子バラツキを考慮したDVFSは低消費電力化の効果が大きい。DVFSは、今後プロセッサのみならず各種SoC(ASIC)にも幅広く使われていく。いかがでしたでしょうか。この記事がLSIの低電力化における皆様のご理解の一助に慣れればうれしいです。プレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。センター(財団)にて特許の先行技術調査を担当。ユキグマなかなか実験の日程の調整ができず、実験日は2024/9/26(木)。夏?のぎりぎりになってしまいました。気象庁の計測値でみると、こんな感じです。12時から20分ほど、会社近くの日産スタジアムに行くまでの見晴らしがよいところで実験しました。当日は晴れではあったのですが、太陽の周辺に雲がありまた風もあったのでなかなか同環境での実験ができませんでした。いう日にも実験してみたいですね。気象庁での紫外線情報をリファレンスにオフセットをかける予定でしたが、実際に外にでて試しに測定してみたところセンサ値の紫外線情報にかなり差があり、今回はオフセットなしにして紫外線対策グッズでどうセンサ値が変わるかを確認したいと思います。リファレンスになるデバイスほしいですねー。試した日傘(私物)はこの2つ同環境での実験が難しかったので、試したのは2種の日傘だけになってしまいました。麻生地のほうはデザインが気に入っておりましてかれこれ3年以上は使用しています。紫外線対策という面では効果が薄くなっている自覚はしています。デザインが好きなので買い替える予定はありませんが(^^)では実験結果です。紫外線防止効果があることが分かります。お気に入りの麻生地の日傘も外に比べ約90%近く下がっているのは、個人的に大満足です。快晴のときにまたいろいろなパターンで実験してみたいですね。※今回の検証は個人的興味が目的です。試した製品のUVカット効果を検証し賛否することが目的ではありません。最後に、IoTの設計開発についてご相談したいことがございましたら、遠慮なくこちらのフォームにてお伝えください。秋も紫外線はまだまだ強い日がありますから、日傘を使いつつ気を付けて過ごそうと思います。!ユキグマ工作&モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。ユキグマ組み立てたLeafonyをケースに入れよう組み立てたLeafonyを目立たないようケースに入れて外で実験できるようにしたいと思います。ケースに入れなくても実験はできますが、都会は人の目も多いですし、持ち歩いて怪しまれないように。テーマに掲げて行います!なぜって、いくら10月で30°C超えの気候とはいえ、ゆっくりしてると冬になってしまうので。いうわけで、何をするかは、ガジェット好きな皆様はもうお分かりですね。ダイソー様で物色ですルンルンダイソーで発見した”便利ケース”おなじみの収納ケースのエリア、衛生用品、キッチン用品...うろうろしたところ良さそうなものがありました!!これですお弁当を毎日作るお母さんお父さんの味方、マヨネーズケース!!推しポイントは、3つ。カッターで簡単に加工ができます。サイズもスポっときれいには入りませんが少し押し込めば入りそうなところ。蓋もあるのでここにUVセンサーを固定するのもできそう。(この創造力を掻き立てるSPECが尊い...)これに組み立てたLeafonyを入れて実験できるように少し加工していこうと思います!!で、できあがったのがこちら!!透明な蓋にセンサー用の穴をあけ、マスキングテープで固定にしました。傘にぶら下げるといったことができるように手持ちのチェーンをつけてみました。え?「マスキングテープ、素敵に貼れませんか」ですって?(想定よりうまく固定できなかったので試行錯誤しちゃったんですよね。~実験編ユキグマ工作&モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。今日はDVFS機能搭載プロセッサとDVFSの動作原理についてお伝えします。DVFS機能搭載プロセッサのブロック図まず、DVFS機能搭載プロセッサについてです。図1に弊社が電源ICで用いているDVFS機能搭載プロセッサのブロック図を事例として示します。DVFS機能搭載プロセッサのブロック図CPU内にクロック周波数/電源テーブルが配置され、負荷の大きさに対応するクロック周波数及び電源電圧Vddの指示情報をテーブルから出力します。指示情報に基づきPLL及び可変電源を制御し、DVFSを実行します。負荷の大きさに適合したクロック周波数、電源電圧を用いてDVFSが最適な値を選択実行することになります。半導体企業の可変電源(DVFS対応電源IC)の製品例を以下に示します。弊社調べ)また、Appleは、iOSなどのソフトウェアとAシリーズチップなどのハードウェアを密接に統合し、DVFSを効果的に活用しています。プロセッサ内部のセンサーやモニタリング機能が、プロセッサの負荷状況を定期的に監視する。これには、タスクの実行中の処理負荷や電力消費の推定が含まれる。負荷の高い場面では、プロセッサの動作周波数を上げ、同時に電圧も増加させることで性能を最大限に引き出す。負荷が低いときには、動作周波数を下げ、電圧を低く保ちながらも十分な処理能力を維持する。モバイルプロセッサには、動的電圧スケーリングを行う専用のアルゴリズムが組み込まれている。これらのアルゴリズムは、プロセッサの状態を評価し、最適な電圧と周波数の組み合わせを決定する。バッテリーの残量や充電状態なども考慮に入れながら、電圧と周波数を調整する。図2にDVFSの原理を示します。DVFSの原理まず上段の説明です。一般に低消費電力化を図るため、SoCではゲーテッドクロックが用いられます。Clockは負荷が軽い場合、所要の処理が終了するとクロックを止めます。これで、タスク処理割当時間後半にはクロックを止めるので、1動作時間を半分=消費電力1/2を図れます。DVFSではタスク処理割当時間丁度で処理が終了する様に、1/2の電源電圧、1/2のクロック周波数でSoCを動作させます。DVFSはゲーテッドクロックに比べて、さらに1/4の消費削減を図れます。CMOSの特性から、クロック周波数に比例して電源電圧を下げる事ができます。プロセスバラツキを考慮したDVFS機能搭載SoC/MPU/GPU次に図3にプロセスバラツキを考慮したDVFS機能搭載SoC/MPU/GPUのブロック図を示します。Osc)の発振周波数からMOSトランジスタの閾値(Vth)を推定します。Vthが低い方向に0.05Vばらついた場合、回路の動作周波数が上がります。同一周波数で動作させる場合、電源電圧(Vdd)を下げる事ができるので、消費電力を更に低減できます。一般にVthが低下するとトランジスタのリーク電流が増加しますが、Vdd低減による低消費電力化により相殺できます。した工夫によりプロセスバラツキを考慮した設計ができます。SoCの作りに応じて、リングオシレータは複数個所に挿入されることがあります。参考までに各CMOS世代におけるVthのプロセスバラツキを示します。弊社調べ)いかがでしょうか。次は、動的電圧スケーリング(DVS)開発の背景をお伝えしようと思います。プレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。センター(財団)にて特許の先行技術調査を担当。ユキグマついにセンサー情報をBLEで飛ばし、無線化しますよ~動作結果イメージ今回は、こんな風にUVインデックスが出てくるようにしたいですね。スマホアプリ画面ハードウェア使用するLeafonyのリーフが1枚、追加になります。USBは、ソフトウェア書き込み時のみ使用し、動作時には外します。CR2032は前回同様、ねじ止めとして使用します。重ね方は、こんな感じです。CR2032の順につなげてねじ止めします。CR2032の順につなげてねじ止めします。書き込み時に4-Sensorsのリーフを抜いた理由としては付属のネジだと物理的に長さが足りなかったからです。headerのリーフを使用しました。このAX018にした理由としては3.3V出力ピンがあることピンヘッダーがすでにあるので、リーフに追加で半田しないで使用できることというメリットがあったからです。ピンヘッダーが付属しているGrove&5Vのリーフを考えていて、高さも取らないし丁度いいかーと考えていたのですが、改めて仕様書みたとき”5V”出力じゃん”というのに気づきまして今回は3.3V出力ピンがあるAX018になりました...さらにピンヘッダーがすでにあるので、リーフに追加で半田しないで使用できること。pinもあるのですが、こちらはセンサからの線を直接半田することになるので、ほかのセンサーや実験に使用しづらくなるためAX018にしました。ヘッダー分の高さを取らないのでいいのですが、ぶっちゃけきれいに半田を取る自信がなく。リスクヘッジも実力よ..ソフトウェア前回、Leafonyを動かしてみようで使用したソフトウェアをベースに実装していきます。~センサを実際に動かしてみる~で実装したプログラムから蛍光ペンで示した箇所の処理をベースのプロジェクトに追加します。関数内に追加これで定期的にUVインデックス値を求めることができるようになりました。基本的には上記の処理をベースのプロジェクトに追加すればよいのですが、以下の点は修正が必要です。以下の設定変更も必要です。定期的に取得したUVインデックスを無線で送信できるようにします。関数内において無線で送信するデータを設定しているようです。そこで、そのうちもともと照度データを設定している箇所をUVインデックス値に差し替えします。合わせて小数点以下の値も表示したいのでdstorfの引数の値も変更します。これでソフトウェアの実装は完了です。LEDネイルライトで実験してみました。~準備編IIIユキグマ工作&モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。相変わらず外は30°C超える日もあってアチチ。センサ値を無線で飛ばそうさて、前回は、PCでセンサ値を表示することができましたが、実際に外で実験する場合、PCを持ち歩かないといけないというのは大変なので無線化して、スマートフォンで確認できるようにしたい!と申しておりました。(PC持ち歩いてしたら不審な行動に見られそうですし。↓前回の記事はこちらから。~センサを実際に動かしてみる無線化するにあたっていろいろな方法がありますが、今回はArduinoと互換性がある”Leafony”を使用してBLEでセンサ値を飛ばしてスマートフォンに表示したいと思います。Leafonyを選択した理由としては、前回でArduinoを使用してUVインデックスを求めた時のコードをそのまま使用できる点で便利!!という点と、基板サイズが一円玉サイズと小さいので外で実験したとき怪しまれづらいかなーという思いで。Leafonyを動かしてみようLeafonyが動作することをまず確認してみようと思います。Leafonyの公式HPにあるクイックスタートの”BLEで環境センシング”を試してみます。ハードウェア今回使用するリーフはこれら5つです。USBから供給します。5CR2032の順につなげてねじ止めします。使用したライブラリがこのサンプルのバージョンとあっていないか、違うライブラリを使用したのか以下の点をサンプルから変更しました。~準備編IIユキグマ工作&モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。久々にシステムLSI記事を更新します。今回は動的電圧周波数スケーリング(DVFS)の概要についてお伝えします。DVFS)は、プロセッサの処理量(負荷)の大小に応じて、電源電圧およびクロック周波数を動的(適応的)に切り替える技術です。これにより、必要な性能を維持しつつ、消費電力を最適化し、発熱を抑えることができます。このDVFSによるクロック周波数/電源電圧の動的切り替えについて、表1に示します。DVFSのクロック周波数/電源電圧動的切り替えとアプリケーション各種システムLSI(SoC)やプロセッサでは低消費電力化を図るために動的電圧周波数スケーリング(DVFS)が広く導入されています。SoCの負荷が低いときには動作周波数及び電源電圧を下げ、低消費電力化を図ります。高負荷時には高性能を必要とするアプリケーションに対して、周波数及び電源電圧を上げて高速処理を可能にします。DVFSは負荷の大小に応じて動的に最適な電圧/周波数を割り当て、低消費電力化を図る手法です。各クロック周波数/電圧における具体的なアプリケーションは概ね下記の通りです。タスク(高解像度)など、高負荷の作業時に切り替えます。自然言語処理や音声認識など、中程度の負荷の作業時に切り替えます。画像処理タスク(低解像度)、長時間かけて良い推論、Office作業、Web閲覧、スリープモードなど、低負荷の作業時に動的切り替えを実施します。DVFSで用いられている負荷検出手段(MPUの例)MPUにおいてDVFSで用いられている負荷検出手段を表2に示します。等で広く実用化されています。各半導体企業が得意なアプリケーション、ハードウェアの競争力を高めるDVFS技術を提供しています。それぞれ簡単に説明します。GPUの電力管理を実現のための技術で、一部のGPUシリーズに搭載されています。AMDの「PowerTune」は、エネルギー消費の削減に加え、コンピュータの冷却によって発生する騒音レベルを下げ、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。Intelは、MPU(マイクロプロセッサユニット)およびGPU(グラフィックスプロセッサユニット)においてDVFS技術を採用しています。これにより、プロセッサの動作周波数と電圧を動的に調整し、効率的な電力管理を実現しています。AppleのAシリーズプロセッサもDVFS技術を活用しています。これにより、iPhoneやiPadのパフォーマンスを最適化しつつ、バッテリー寿命を延ばすことができます。DVFSは、現代のプロセッサにおいて不可欠な技術であり、各企業が独自のソリューションを提供しています。これにより、パフォーマンスと電力効率のバランスを取ることが可能となり、ユーザーにとって快適な使用体験を提供します。次回はDVFSのブロック図、及び動作原理についてご説明します。プレイステーション用セル回路設計などに尽力し、システムLSIに関連する特許を240件出願。センター(財団)にて特許の先行技術調査を担当。(akizukidenshi.com)久しぶりの半田付けで少しドキドキしました(苦笑)余裕のフリ...感覚忘れないように定期的にしないとダメですね。Leonardoこちらは、以前のテーマ↓で使用したデバイスを流用しています。手軽に紫外線を照射する装置も必要です。私も大好きなぷっくりツヤっとしたジェルネイルを硬化させるために爪に当てて使用するものです。これで税別300円とは今回使用するセンサよりもさらにリーズナブルです!3COINSさん流石ですね。以下の図のように実際に接続しました。以上でプログラム実装前の前準備が完了です。今回使用するセンサからはUV光強度に比例したアナログ電圧が出力されます。定期的にアナログ値を取得して電圧値に変化する処理を実装すればセンサの値は取得できそうですね。電圧値だけでは紫外線が強いのかわかりづらいので、電圧値からUVインデックスを求めてPCに表示するプログラムを実装したいと思います。(sparkfun.com)に詳細に記載されていましたので、この方法で求めていきたいと思います。Plotter”というものがあり、シリアル出力した値をグラフ化してくれます。簡単に状態変化をリアルタイムで確認できるので、かなり便利でした。Plotterのグラフを一緒に動画にしてみました。👏UVを照射するとUVインデックス約2.5~3のあたり、弱い➡中程度のあたりでグラフ表示されますね。LEDネイルライトだと数値が変わるのか興味があります。今回は室内というのもあり補正をしてないのですが、アプリケーションノートによると環境によってUVインデックスからの補正が必要なようで、条件によって誤差がありそうです。Plotterのグラフは複数データの表示もできるようです。Y軸の範囲は自動で変更されるようなので、値の範囲が異なる数字を表示するときは注意が必要そうです。おっと、UVインデックスのリファレンスとなるデバイスを用意していないです。あーリファレンスをどうしよう。あ!そうだ気象庁情報です!!気象庁で紫外線情報(分布図)を出しているのです。(jma.go.jp)ちなみに気象庁紫外線情報のUVインデックスは11+が最高ではなく、さらに12や13+があるのですが、日本でしばしば12や13といった値が観測されるため、気象庁では実情に合わせて13+まで表示するそうです。~準備編I~ユキグマ工作&モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。ユキグマ今日も猛暑日予想です💦こんにちは。UV計測ガジェットを作るシリーズの2回目です。(akizukidenshi.com)このセンサーモジュールを使用します。約10mm角のコンパクトでとっても使いやすそうな形状です。ML8511のセンサ特性このML8511はUV-AおよびUV-Bに対する光センサで、センサ値はアナログ値で出力されます。UV-A,UV-Bの定義ちなみに、前回の記事でお肌に影響のある紫外線の波長にはUV-AとUV-Bの2種類あると触れましたが、定義がいくつかあるようで、気象庁ではこういう分け方をしています。315-400nmちなみにML8511はUV-AとUV-B両方が合わさった値が出力されます。UV対策グッズの効果の評価指標ML8511が計測したセンサ値をわかりやすく表示するために指標があると便利ですね。WHOが提示した紫外線の人体への影響度合いに関する指標として”UVインデックス”というものがありますので、センサ値からこのUVインデックスを求めて、UV対策グッズを使用した場合どう表示が変わるのか確認する装置を作っていきましょう。ML8511から出力されるセンサ値は電圧値が出力されるので、電圧値からこのUVインデックスを求めることになるのですが、今回のテーマはここの作り方に気を付ける必要がありそうです。UVインデックスとは、日常生活で使いやすい数値(影響度合いの一つの目安)とするため、地上に達する紫外線の波長毎の強さと、人体への影響度(紅斑作用スペクトル)を掛け合わせた数値を、使いやすい数値(0~11+)に指標化したものです。(引用ここまで)WHOの基準を基に、UVインデックスに応じた対策が定義されていますが、12段階あるインデックス値を、環境省はさらにシンプルに5段階に分け対策指標化していますね。~センサを実際に動かしてみるユキグマ工作&モノづくり系好き女子。電子工作グッズは無地のメイクボックスに入れてお部屋の雰囲気を保ちます。フランボワーズケーキに目がないです。ユキグマお盆もとうに過ぎ、もうすぐ衣替えの季節というのに、燦々と輝く太陽の光はいまだ真夏の様。会社帰りに好きなブランドのウィンドウショッピングしてると、どの店ももう秋物の新作ばかり並べています。欲しいけど、暑さが和らぐ気配もみじんもなく、一体いつ着られるようになるかしらと、購入には二の足三の足?踏んでます。皆さんはUV対策としてどんなことをされていますか?ちなみに私は、日焼け止めに日傘、帽子、手袋ってとこでしょうか。最近は男女、大人も子供も関係なく日傘を差しているのをよく街でみますね。数年前まではここまで日傘人口をみなかったように個人的には感じてます。実際私も日ごろ日傘には大変お世話になっています。最近はゲリラ豪雨も頻繁なので晴雨兼用の日傘を常に持ち歩いています。(便利ですね)そこで今回は、日傘などのUV対策グッズで実際どれくらいのUVカットになっているのか、ガジェットを作って確認してみよう!と思います。※今回の検証はあくまで個人的興味です。試した製品のUVカット効果を検証し賛否することが目的ではありませんのであしからずご了解ください。以下、蛇足:このブログを書くにあたって紫外線にしらべていたところ、環境省の紫外線環境保健マニュアルに日焼け止めについて記載されていて、詳しくて素晴らしかったのでご紹介しますね。紫外線環境保健マニュアル2020(環境省HP)まず、紫外線に種類が3つあり、お肌に大敵なのはそのうち2つで、「UV-A」と「UV-B」と呼びます。UV-A:降り注ぐ量は多いが、お肌への影響は比較的小さい。長く当たりすぎるとNGのタイプ。UV-B:降り注ぐ量は少ないが、お肌への影響が大きいので、短期間でも当たりたくないタイプ。