消費電力

消費電力＝ダイナミック消費電力＋スタティック消費電力
 
・動的電力(Dynamic Power)
→トランジスタのスイッチ(ON/OFF)時に負荷容量の充放電に使われる電力

　　Ｐ＝ｆ　×　Ｃp × V^2

P:電力　f: 周波数　Ｃｐ：平均負荷容量　
Ｖ：電源電圧

・静的電力（Static Power)
→リーク電流（漏れ電流）によって生じる．

・トランジスタのスイッチ速度
ゲート酸化膜を薄くして，電源電圧を高くすることで高速化できる．
→リーク電流が増大するという問題がある．

・動的電力(fCV^2)を下げる方法
1.周波数を下げる
→ＣＰＵの仕事量に応じて，クロック周波数を下げる．使っていないときにクロックをとめる．
２．容量を下げる
→回路規模が小さくて処理負荷が軽いプロセッサを使う．
クロックゲーティングによって，内部の稼動していない部分をとめる．（実質的に容量を下げることに相当する．）
３．電圧を下げる
プロセッサの電圧が1V前後になり，閾値電圧との差が小さくなっているため，さらに低電圧で動作させるのは困難になってきている．

クロックゲーティングとは
・消費電力削減でおそらく最も古くから利用されてきた手法 ．
・LSIのダイナミック消費電力の1/3から1/2は、チップのクロック分配回路で消費される ．
・現在よく利用されているクロックゲーティング手法には、ローカルとグローバルの2種類がある ．
→動的消費電力の削減

消費電力の削減に対しておそらく最も古くから利用されてきた手法がクロックゲーティングであろう。LSIのダイナミック消費電力の1/3から1/2は、チップのクロック分配回路で消費される。Keating氏は、「この技術の概念は非常に簡単だ。クロックが不要ならば、その供給を停止するというものだ」と語る。

現在よく利用されているクロックゲーティング手法には、ローカルとグローバルの2種類がある（図4）。例えば、図4（a）の上のような回路であれば、常時クロックを必要としない。つまり、図4（a）の下のように、各フィードバックマルチプレクサをクロックゲーティングセル（AND回路）に置き換えることができる。そして、マルチプレクサを制御するイネーブル信号を用いて、クロックゲーティングセルの出力を制御すればよいのである。

従来、この置き換えは手作業で行われていたが、現在では市販の合成ツールで自動的に実施することができる。この作業のためのツールが自動的にマルチプレクサを検出し、フィードバック経路付きのマルチプレクサをクロックゲーティングセルに置き換えてくれるのだ。Keating氏は「32ビットのレジスタになると、この手法を用いることで大幅に電力を低減することができる」と語る。2007年のSNUG（Synopsys Users Group）において、米Intel社のエンジニアがこの手法によってダイナミック電力を43％削減したという例を発表している＊2）。

もう1つのよく使用されるクロックゲーティング手法が図4（b）のグローバルクロックゲーティングである。通常、この手法ではクロックジェネレータモジュールから、単純にブロック全体のクロックを停止する制御を行う。ローカルクロックゲーティングとは異なり、ブロック全体の機能を停止させることになる。クロックツリー全体を停止することになるため、ローカルの場合に比べて、ダイナミック消費電力の削減量は大きい。

静的消費電力の削減
・静的消費電力削減には，電源OFFする必要がある．
・クロック停止の場合は，クロックを動作させれば即座に回路も動作するが，電源停止の場合は電圧の安定化などを待つ必要があるため，復帰に時間がかかる．
・電源領域をまたがる回路部分にはバリアゲートとよばれる特殊な回路を配置する．これは，片側の電源領域において電源がＯＮ／ＯＦＦされたとき，電源ノイズにより誤動作しないようにするため．

 

1G/10Gイーサ物理層

■ＯＳＩモデルとの対応

ＭＡＣ層　　（データリンク層）
--------------
ＲＳ副層　　　（物理層）
--------------
GMII　　　　　（物理層）
---------------
PCS　　　　　（物理層）
PMA
PMD
-----------------
fiber

■ ＧＭＩＩ：ギガビットＥｔｈｅｒ媒体非依存ＩＦ

・Ｇｉｇａｂｉｔ　Media Independent Interface
・IEEE802.3z で規定．
・光ファイバの種類ごとに異なる物理層に共通につかえる，ＭＡＣ副層と物理層とのインターフェース
(1000BASE-PX,LX,BX,SX,FXなどで共通)
・ＭＡＣのフレーム形式を１２５ＭHz,8bitのパラレルデータに変換する．
・１０Ｇ用にXGMII(312.5(156.25MHz DDR),32bit)，ＸＡＵＩ（シリアルＩＦ）がある．

■ＧＭＩＩの原理

 ＭＡＣ副層からのデータをパラレルデータ(8bit/125MHz)にし,クロック信号，イネーブル信号とともに，物理層にわたす．

■ＰＣＳ（Ｐhisical Coding Sublayer ）

データの符号化をする．
符号化の種類
８Ｂ/10B符号化（１Ｇ），64B/66B符号化(10G)
マンチェスタ符号化(10BASE-T),４Ｂ/5B,
8B/1Q4．．．

※媒体依存で色々ある．

■なぜ符号化するのか？

（１）受信側で受信した信号からＭＡＣフレーム列を正しく復元できるようにする．
（２）信号の素性をよくし，受信しやすくする．
（３）伝送媒体中での減衰や波形ひずみをへらして，到達可能距離をのばす．（確保する）→ＦＥＣでも実現している内容

ＵＴＰ，光ファイバなど，さまざまな伝送媒体で符号化方式はかわる．

受信側で波形をタイミング抽出して，再生するときに，
０，１のどちらかが，連続しすぎていると，正しく再生受信できないので，符号化によって，ある程度の頻度で必ず，変化させるようにする．

■イーサネットの符号化の特徴

可変長フレーム（ＭＡＣフレーム）に適したブロック符号化方式（*1)が多用されていること．

(*1)ブロック符号化
・データを小分けにしたブロック単位（例:８bit)ごとに，冗長度のある符号語(例:10bit)に変換すること．
・物理層の機能（媒体に適した符号化を実施）
・ＭＡＣは，すべてのイーサで共通．符号化方式は，速度，また速度が同じでも媒体ごとに異なる場合がある．

■ 8B/10B符号化とは？

ＭＡＣフレームで8bit単位で冗長度のある符号語２bitをつけて10bitにする方式
・ＩＢＭが，１９８３年に発明し，１９９４年にファイバチャネル規格が採用し，ギガビット・イーサネットが借用したことで，広く普及した．

補足（１）ＦＥＣの層は，ＰＣＳとＰＭＡの間．

■８Ｂ/10B符号の特徴，原理

・「０」，「１」の個数差が３以上にならないように符号化（ＤＣバランスの確保）
・ＲＤ(今までに出力した０，１の累積個数の差)に応じた動的符号化で，コンマパターン，特殊符号語，ビット誤り検出を提供
・5B/6B符号，3B/4B符号の組み合わせなので，単純なハードウェア化が実現可能

■６４Ｂ／６６Ｂスクランブル符号化

・１０ＧＢＡＳＥ－Ｒファミリーで採用
・ＭＡＣ副層からＸＧＭＩＩにとどいた送信データをシリアル信号の送受信に適した符号に変換（６４ビットごとに２ビットのヘッダをつけて，符号化し，６６ビットにする．
・光通信に必要なＤＣバランス，反転密度，符号同期をスクランブラで統計的に処理し，信号伝送の信頼性を高める．
・ １＋Ｘ^39+X^58の多倍長演算で統計的にいい感じにバラける．

■１０ＧｂＥで64B/66Bを使う理由

・WAN仕様規格(10GBASE-W)ではSONET/SDHの規格に合わせる必要があった。
・光ファイバにおいて、8B/10B符号化方式だと通信速度を上げ過ぎてしまうため送信時の加熱に耐えられないという問題があった。 （１Ｇ：２５％，１．２５Ｇｂｐｓ）
・32bit(XGMII)の倍数なら回路が簡単になり、64B/66Bならば8B/10B符号化への対応も可能だった。

■ＰＭＡ（Phisical Medium Attachment）

・ＰＣＳで符号化した，パラレルデータ(10bit/125Mz)をシリアルデータ(1.25Gbps)に変換する．あるいは，その逆．
・変換方式：ＮＲＺ

■光ファイバ

・ＧＥ－ＰＯＮで使用する光ファイバは，１０００ＢＡＳＥ－ＰＸ１０（１０Ｋｍ）または，
１０００ＢＡＳＥ－ＰＸ２０（２０ｋｍ）
・光ファイバのモードには，ＳＭＦ（Ｓｉｎｇｌｅ Mode Fiber）とＭＭＦ(Multi Mode Fiber)
がある．

 

 

 

 

 

・ ＳＭＦは，長距離を伝送させても減衰しにくい．

 

・ ＧＥ－ＰＯＮの１０００ＢＡＳＥ－ＰＸで使用する， 光ファイバは，ＳＭＦ．

■Burst 信号とは？

バースト(*1)伝送方式
送信すべきＭＡＣフレームが存在するときだけ，電位差，光強度を発生させる方式．信号は１つも固まりとして送られ，固まりと固まりの間には，信号自体が存在しない方式．

→それぞれの固まりの先頭でビット同期を取り直す必要あり．
※ＧＥ－ＰＯＮの場合，下りは，ＴＤＭですが，上りは，ＴＤＭＡなので，バーストになる．ＯＬＴの受信側にバースト信号処理用の回路があるのはそのため．

(*1)バースト：間欠的

・ＣＤＲ（Clock and data recovery）
受信信号から，ばらつきのある位相を検出し，
受信データを再生するためにクロックを抽出する．（ビット同期）

■１０ＧｂＥトランシーバ（ＭＳＡ）の種類

 

第１世代：300pinトランスポンダ
電気ＩＦ：XSBI(644Mbps×１６ｃｈ）
第２世代：ＸＥＮＰＡＫ，Ｘ２
電気ＩＦ：XAUI(3.125bps×４ｃｈ）
第３世代：ＸＦＰ
電気ＩＦ：ＸＦＩ（１０Ｇｂｐｓ×１ｃｈ）
第４世代：ＳＦＰ＋

■ＭＳＡとは？

ＭＳＡ（Multi Source Agreement：メーカー間製造契約）

背景：10GbE 規格(IEEE802.3ae)では，光トランシーバの物理的寸法，電気コネクタ形状，ピン配置は，規定なし．

→ベンダごとに色々できてしまい，不便
→複数のベンダ同士で，寸法，ピンアウトをあわせる契約を結んだ．
→現在，デファクト標準になっている．

■電気ノイズの主な種類

高性能化に伴う消費電力増大への対策、あるいは環境への負荷低減を目指した低消費電力化といったニーズに対応するため、半導体デバイスの動作電圧は徐々に引き下げられてきました。その結果、ノイズ・マージンも減少し、半導体は以前より電気ノイズの影響を受けやすくなっているのです。半導体に誤動作などの影響を及ぼす電気ノイズは、主に以下のようなものがあります。 

電源系ノイズ
同時スイッチング・ノイズ
半導体デバイス内では、膨大な数のトランジスタがオンとオフの切り替え（スイッチング）を繰り返しています。一般に、この切り替えタイミングはトランジスタごとにバラバラなのですが、偶然そのタイミングが合ってしまと電源／グラウンドの電位が大きく変化し、同時スイッチング・ノイズが発生。デバイス誤動作の可能性を高めてしまいます。 信号系ノイズ
クロストーク・ノイズ
平行して走る信号線同士が影響し合うことで発生するノイズです。信号線が接近しているほど、平行している距離が長いほど、クロストーク・ノイズは大きくなり、半導体デバイスが誤動作する原因となります。
→電磁誘導によるもの

反射ノイズ
半導体デバイスはチップやワイヤ、スルー・ホールなどさまざまな部分で構成されており、部分ごとに特性インピーダンスが異なります。特性インピーダンスの違う2つの部分が隣り合う境界面では、信号の反射ノイズが発生し、デバイス誤動作の原因となります。

減衰
抵抗などの影響により、回路を流れる信号の波形が徐々に不明瞭になっていく現象です。信号の周波数が高いほど減衰の影響は大きく、特に1GHzを超える周波数帯では大きな問題となります。
→ＧＥ－ＰＯＮで，上り波長1.31μm 下り1.49μｍ
→周波数の高いほうが，情報をいっぱいのせられるはずやのに，逆ちゃうか？と思っていたが，
減衰を気にしているのか

ジッタ
ある一定のパターンで繰り返されている信号が、反射などの原因により、その繰り返しタイミングに揺らぎが生ずる現象です。デジタル回路の場合、回路を流れる信号は水晶発振器などが発生するクロック信号のタイミングに同期しています。しかし、ジッタによってこのタイミングに乱れが生じ、回路の誤動作などにつながります。
→信号の時間的なズレや揺らぎのことである

--
ジッタとは、通信やオーディオ関連の機器などにおいて発生する、信号の時間的なズレや揺らぎのことである。
ジッタは、主に信号の読取装置のわずかな不安定さや、あるいは信号の伝送経路の影響などによって発生する。ジッタが発生すると、信号が隣接する信号と干渉するなどして、ノイズや音とび、音質・画質の劣化などの原因になりやすい。


 

ＲＧＭＩＩって

Reduced Gigabit Media Independent Interface (RGMII) specifies a particular interface between an Ethernet MAC and PHY.

RGMII uses half the number of pins as used in the GMII interface. This reduction is achieved by clocking data on both the rising and falling edges of the clock, and by eliminating non-essential signals (carrier-sense and collision-indication). Thus RGMII consists only of: RXC, RD[3:0], RX_CTL, TXC, TXD[3:0], and TX_CTL (12 pins, as opposed to GMII's 24).

Unlike GMII, the transmit clock signal is always provided by the MAC on the TXC line, rather than being provided by the PHY for 10/100 Mbit/s operation and by the MAC at 1000 Mbs.

RGMII supports Ethernet speeds of 10 Mbit/s, 100 Mb/s and 1000 Mbit/s.

SGMIIって

Serial Gigabit Media Independent Interface

The Serial Gigabit Media Independent Interface (SGMII) is a sequel of MII,
a standard interface used to connect an Ethernet MAC-block to a PHY.
It is used for Gigabit Ethernet (contrary to Ethernet 10/100 for MII).
It differs from GMII by its low-power and low pin count serial interface
(commonly referred to as a SerDes).
To carry frame data and link rate information between a 10/100/1000 PHY and an Ethernet MAC,
SGMII uses a differential pair for data signals and for clocking signals,
with both being present in each direction (i.e., transmit and receive),
giving 8 signal lines in total.