(57)【要約】      （修正有）【課題】通信処理用集積回路の消費電力をより高い精度で算出する。【解決手段】入力された通信フレームを処理するために通信処理用集積回路が消費する消費エネルギーのうち、通信フレームのフレーム長に依存するアクティブなエネルギーを計算するステップ２３と、消費エネルギーのうち、通信フレームのフレーム長に依存しないスタティックなエネルギーとアクティブなエネルギーとの和を通信処理用集積回路による通信フレームの処理時間で除算して、通信処理用集積回路の消費電力を計算するステップ２５とを有し、アクティブなエネルギーを計算するステップ２３は、通信フレームの種類別に予め求めた関数に基づいてアクティブなエネルギーを計算するステップ２３２、２３３を有する。【選択図】図３
2014164552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された通信フレームを処理するために通信処理用集積回路が消費する消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存するアクティブなエネルギーを計算するステップと、
前記消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存しないスタティックなエネルギーと前記アクティブなエネルギーとの和を前記通信処理用集積回路による前記通信フレームの処理時間で除算して、前記通信処理用集積回路の消費電力を計算するステップとを有し、
前記アクティブなエネルギーを計算するステップは、
前記通信フレームの種類別に予め求めた関数に基づいて前記アクティブなエネルギーを計算する
ことを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算方法。
【請求項２】
請求項１に記載された通信処理用集積回路の消費電力計算方法において、
前記アクティブなエネルギーを計算するステップは、
前記通信フレームの種類を判別するステップを備え、
判別された前記通信フレームの種類に対応する前記関数に基づいて、当該種類の通信フレームを処理するための前記アクティブなエネルギーを計算する
ことを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載された通信処理用集積回路の消費電力計算方法において、
前記通信フレームの種類別に予め求めた関数は、それぞれ、前記通信処理用集積回路が処理する通信フレームの数およびフレーム長と前記アクティブなエネルギーとの関係を表す関数である
ことを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算方法。
【請求項４】
請求項３に記載された通信処理用集積回路の消費電力計算方法において、
前記通信フレームの種類別に予め求めた関数は、それぞれ、前記通信処理用集積回路が最小フレーム長の通信フレームを処理するために消費する１フレームあたりの消費エネルギーを表す第１の係数と、前記通信処理用集積回路が前記通信フレームの前記最小フレーム長を超える分を処理するために消費する、その最小フレーム長を超える分の単位フレーム長あたりの消費エネルギーを表す第２の係数とを含む線形関数である
ことを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算方法。
【請求項５】
請求項１に記載された通信処理用集積回路の消費電力計算方法において、
前記通信フレームの種類別に予め求めた関数は、それぞれ、前記通信フレームの単位時間あたりのビット長および当該通信フレームの単位時間あたりのフレーム数と前記アクティブなエネルギーとの関係を表す関数である
ことを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載された通信処理用集積回路の消費電力計算方法において、
前記通信フレームの種類は、当該通信フレームを識別するための識別情報を有する制御フレームと、前記制御用フレーム以外のユーザフレームであること
を特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算方法。
【請求項７】
入力された通信フレームを処理するために通信処理用集積回路が消費する消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存するアクティブなエネルギーを計算する第１の計算部と、
前記消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存しないスタティックなエネルギーと前記アクティブなエネルギーとの和を前記通信処理用集積回路による前記通信フレームの処理時間で除算して、前記通信処理用集積回路の消費電力を計算する第２の計算部とを有し、
前記アクティブなエネルギーを計算する前記第１の計算部は、
前記通信フレームの種類別に予め求めた関数に基づいて前記アクティブなエネルギーを計算する
ことを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算装置。
【請求項８】
コンピュータに、請求項１乃至６のいずれかに記載された通信処理用集積回路の消費電力計算方法を実行させることを特徴とする、通信処理用集積回路の消費電力計算プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネットワークに接続される通信装置、特に通信処理用集積回路の消費電力計算方法、装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のネットワークの高速・大容量化に伴って、増大する消費電力の削減が急務とされ、通信処理用集積回路に対する低消費電力化の要求はますます高まってきている。例えば、ＰＯＮ（Passive Optical Network）におけるＯＮＵ（Optical Network Unit）  ＬＳＩのような通信用集積回路においては、ネットワークの高速・大容量化に伴う消費電力の増大を抑制する必要性から、低消費電力化の要求が極めて高い（例えば、非特許文献３）。
【０００３】
通信処理用集積回路の低消費電力化ためには、消費電力の計算を集積回路の設計の初期の段階で行うなど、低消費電力化を意識した設計が一層重要になっている。
【０００４】
従来の通信処理用集積回路の消費電力の計算方法の例を図１１を参照して説明する。
図１１において、通信処理用集積回路１は、入力された通信用フレームを内部回路１１によって処理して出力フレームとして出力する。入力フレームはイーサネット（登録商標）フレームの場合は、可変長サイズの０／１ビットデータの連続で表現される。通信処理用集積回路１には、入力フレームとともにクロックも入力される。
【０００５】
このような通信処理用集積回路１の消費電力は、シミュレーションによりクロックごとに計算される。このような消費電力を計算する技術としては、回路シミュレーションなどから消費電力を求めておいて積算していく方法（特許文献１、２）、論理シミュレーションをベースに信号変化情報を抽出する方法（特許文献３）等がある。また、機能設計時にもＣ言語をベースにサイクルベースのシミュレーションから消費電力を求める方法も提案されている（特許文献４）。
【０００６】
これらの方法は、通信処理用集積回路に限らず、電子回路に汎用的に適用可能な方法である。しかし、通信フレームは大量なデータを含むため、これらの方法によって消費電力を算出するには計算時間も膨大になる欠点があった。そのため通信フレームのフレーム長による消費電力への依存性を近似式で表し、消費電力を評価する手法も提案されている（非特許文献１）。
【０００７】
非特許文献１には、イベントベースのシミュレーションを用いて消費電力の見積もりを行うために、フレーム長情報を利用した消費電力評価方法を通信処理用集積回路に適用した結果が開示されている。
【０００８】
具体的には、消費電力評価の対象となる集積回路において、１フレームの処理で消費されるエネルギーＥを、入力フレームのフレーム長に依存しない、すなわちフレームの入力の有無にかかわらず消費されるスタティックな消費エネルギーＥstatic （以下、「スタティック消費エネルギー」ということがある。）と、入力フレームのフレーム長（ＦｒａｍｅＳｉｚｅ）に依存するアクティブな消費エネルギーＥactive （以下、「アクティブ消費エネルギー」ということがある。）との合計と考え、Ｅactive とフレーム長の関係を従来のシミュレーションによる電力算出手法を用いて近似式として予め求めておく。
【０００９】
すると、消費エネルギーＥは、式１に示すように、スタティック消費エネルギーEstatic と、アクティブ消費エネルギーEactive の加算により計算することができ、このエネルギーＥを処理時間Ｔで除算することにより、消費電力Ｐを求めることができる（式２）。
【００１０】
Ｅ  ＝  Ｅstatic  ＋  Ｅactive                                （式１）
Ｐ  ＝  Ｅ／Ｔ                                                （式２）
【００１１】
ここで、入力フレームのフレーム長に依存する１フレームあたりのエネルギーを係数ηと入力フレームのフレーム長Ｆ_all_lengthの積で表せば、全入力フレーム（フレーム数：Ｎ）に対するアクティブ消費エネルギーEactiveは式３により計算できる。
【００１２】
【数１】
2014164552.tif 000003
【００１３】
すなわち、係数ηを予め求めておくことにより、式３により簡単な計算でＥactiveが求められ、式１および式２から消費電力が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−１８６００１号公報
【特許文献２】特開平０６−３１７６１６号公報
【特許文献３】特開２００４−３４１９５２号公報
【特許文献４】特開２００５−２４２６４２号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】草場律、鵜澤寛之、川村智明、安田禎之、首藤啓樹、加藤順一、浦野正美、イベントドリブン・シミュレーションによる消費電力評価の通信用ＬＳＩへの適用、信学総大、Ｃ−１５−４、２０１２．
【非特許文献２】石田修、瀬戸康一郎、１０ギガネットＥｔｈｅｒｎｅｔ教科書
【非特許文献３】Urano, et al., “The 10G-EPON OLT and ONU LSIs for the coexistence of 10G-EPON and GE-PON toward the next FTTH era”C13 -1,2011 VLSI Circuits.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、実際の通信フレーム処理に依存する消費電力は、フレーム長以外のパラメータ、例えば、通信フレームの種別やフレーム数等によっても変化することがある。例えば、光アクセス通信処理（非特許文献２）を例にすると、フレーム自体に処理を行うＦＥＣ（Forward Error Correction）や暗号処理は、消費電力がフレーム長に依存する一方、ブリッジ処理は、フレーム長ではなく、フレーム数に消費電力が依存し、ＤＢＡ(Dynamic Bandwidth Allocation)処理は、制御用通信フレームの処理に消費電力が依存する。
【００１７】
上述した通信フレームのフレーム長から消費電力を近似的に計算する方法は、単純にフレーム長に消費電力が依存するという関係を前提とすることによって、大規模集積回路のようなシステムの消費電力を単純な計算で行うことができ、短時間で評価を行える利点はあった。
【００１８】
しかし、通信フレームの種別やフレーム数等の、フレーム長以外のパラメータの影響を考慮した消費電力評価項は評価式に入っていないため、通信処理用集積回路の処理においてこれらの項の影響が大きくなれば、消費電力評価値の誤差も大きくなるという課題があった。
【００１９】
そこで本発明は、フレーム長以外のパラメータを考慮して消費電力を算出するモデルを構築することで、計算時間の増大を抑えつつ、様々な特徴を持つ通信処理用集積回路の
消費電力をより高い精度で算出する消費電力計算方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した目的を達成するために、本発明に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法は、入力された通信フレームを処理するために通信処理用集積回路が消費する消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存するアクティブなエネルギーを計算するステップと、前記消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存しないスタティックなエネルギーと前記アクティブなエネルギーとの和を前記通信処理用集積回路による前記通信フレームの処理時間で除算して、前記通信処理用集積回路の消費電力を計算するステップとを有し、前記アクティブなエネルギーを計算するステップは、前記通信フレームの種類別に予め求めた関数に基づいて前記アクティブなエネルギーを計算することを特徴とする。
【００２１】
ここで前記アクティブなエネルギーを計算するステップは、前記通信フレームの種類を判別するステップを備え、判別された前記通信フレームの種類に対応する前記関数に基づいて、当該種類の通信フレームを処理するための前記アクティブなエネルギーを計算するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記通信フレームの種類別に予め求めた関数は、それぞれ、前記通信処理用集積回路が処理する通信フレームの数およびフレーム長と前記アクティブなエネルギーとの関係を表す関数とすることができる。
【００２３】
さらに、前記通信フレームの種類別に予め求めた関数は、それぞれ、前記通信処理用集積回路が最小フレーム長の通信フレームを処理するために消費する１フレームあたりの消費エネルギーを表す第１の係数と、前記通信処理用集積回路が前記通信フレームの前記最小フレーム長を超える分を処理するために消費する、その最小フレーム長を超える分の単位フレーム長あたりの消費エネルギーを表す第２の係数とを含む線形関数としてもよい。
【００２４】
また、前記通信フレームの種類別に予め求めた関数は、それぞれ、前記通信フレームの単位時間あたりのビット長および当該通信フレームの単位時間あたりのフレーム数と前記アクティブなエネルギーとの関係を表す関数としてもよい。
【００２５】
本発明において、前記通信フレームの種類は、例えば、当該通信フレームを識別するための識別情報を有する制御フレームと、前記制御用フレーム以外のユーザフレームとすることができる。
【００２６】
また、本発明に係る通信処理用集積回路の消費電力計算装置は、入力された通信フレームを処理するために通信処理用集積回路が消費する消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存するアクティブなエネルギーを計算する第１の計算部と、前記消費エネルギーのうち、前記通信フレームのフレーム長に依存しないスタティックなエネルギーと前記アクティブなエネルギーとの和を前記通信処理用集積回路による前記通信フレームの処理時間で除算して、前記通信処理用集積回路の消費電力を計算する第２の計算部とを有し、前記アクティブなエネルギーを計算する前記第１の計算部は、前記通信フレームの種類別に予め求めた関数に基づいて前記アクティブなエネルギーを計算することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る通信処理用集積回路の消費電力計算プログラムは、コンピュータに上述した通信処理用集積回路の消費電力計算方法を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、通信フレームの種類別に予め求めた関数に基づいて、前記通信フレームを処理するための前記アクティブなエネルギーを計算するので、消費電力がフレーム長以外のパラメータに依存する様々な特徴を持つ通信処理用集積回路の消費電力をより高い精度で予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、通信フレームのフレームフォーマットの一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る消費電力計算装置のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係る消費電力計算装置の機能ブロック図である。
【図４】図４は、制御フレームと消費電力との関係の求め方を説明する図である。
【図５】図５は、制御フレームと消費電力との関係の求め方を説明する図である。
【図６】図６は、状態遷移によりステートが変わる場合の消費エネルギーの変化を説明する図である。
【図７】図７は、状態遷移によりステートが変わる場合の消費エネルギーの変化を説明する図である。
【図８】図８は、単位時間あたりのビット長およびフレーム数と消費電力の増分との関係を説明する図である。
【図９】図９は、通信処理用集積回路のフレーム処理に関わるブロックを説明する図である。
【図１０】図１０は、暗号化機能の適用の有無による消費電力の変化を説明する図である。
【図１１】図１１は、従来の通信処理用集積回路の消費電力の計算方法の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３１】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力の計算方法は、式１に示したように、消費電力評価の対象となる集積回路において１フレームの処理で消費されるエネルギーＥを、スタティック消費エネルギーＥstaticとアクティブ消費エネルギーＥactive との合計と考え、このうち入力フレームのフレーム長に依存するアクティブ消費エネルギーＥactive を、通信フレームの種類別、具体的には、制御フレームとユーザフレームとの別に計算するものである。
【００３２】
［通信フレームの種類］
通信フレームのフレーム構造の一例として、図１にイーサネット（登録商標）のフレームフォーマットを示す。通信フレームは、「ヘッダ部」、「データ部」、「ＦＣＳ（Frame Check Sequence）部」からなる。図１に示すように、ヘッダ部は、「宛先アドレス」、「送信元アドレス」、「タイプ／長さ（TYPE／Length）」の各フィールドからなる。ヘッダ部とＦＣＳ部のフィールド長は固定である。一方、データ部は、４６〜１５００バイトのデータフィールドからなる。通信フレームのフレーム長は、データフィールドが４６バイトのとき最小の６４バイトになり、ＶＬＡＮタグ・フィールドが追加される場合は最大１５２２バイトになる。
【００３３】
本実施の形態においては、通信フレームを「制御フレーム」と「ユーザフレーム」とに分類する例を考える。ここで「制御フレーム」は、アドレスおよびＶＬＡＮ  ＩＤのような特定の識別情報を有する制御用のフレームであり、「ユーザフレーム」は、制御フレーム以外のフレームとする。
通信処理用集積回路において、制御フレームのみが入力される（ユーザフレームが入力されない）フレーム処理部（処理装置）を「制御フレーム処理部」、ユーザフレームのみが入力される（制御フレームが入力されない）フレーム処理部（処理装置）を「ユーザフレーム処理部」と呼ぶことがある。
【００３４】
［消費電力計算装置の構成］
本実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法は、図２に示すような、バス１０にそれぞれ接続されたＣＰＵ（Central Process Unit）１１と、記憶装置(Memory)１２と、インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１３と、このインタフェース部１３に接続された入出力装置１４とを有するコンピュータ１にソフトウェアプログラムをインストールすることによって実現することができる。すなわち、このコンピュータ１に通信処理用集積回路の消費電力計算用プログラムをインストールすることによって、コンピュータ１上に後述する通信処理用集積回路の消費電力を計算するモデルが構築され、このコンピュータ１が消費電力計算装置として作用することとなる。このモデルは、通信フレームの種類別に予め求めた、通信フレームとアクティブ消費エネルギーとの関係を表す関数であり、入出力装置１４を介してコンピュータ１に通信フレームが入力され、評価対象となる通信処理用集積回路の予測される消費電力の計算結果が出力される。
【００３５】
図３に、コンピュータのハードウェアとソフトウェアプログラムとが協働することによって実現される消費電力計算装置の機能ブロック図を示す。
消費電力計算装置は、消費電力評価の対象となる通信処理用集積回路に入力される通信フレーム（以下、「入力フレーム」ということがある。）を入力する通信フレーム入力部２１と、スタティック消費エネルギーＥstaticを計算するスタティック消費エネルギー計算部２２と、通信フレームの入力に応じて入力フレームのフレーム長に依存するアクティブ消費エネルギーＥactiveを計算するアクティブ消費エネルギー計算部２３と、スタティック消費エネルギーＥstaticとアクティブ消費エネルギーＥactiveとの和をとって消費エネルギーＥを算出する加算器２４と、消費エネルギーＥを処理時間Ｔで除算して消費電力を算出する除算器２５と、算出された消費電力を出力する消費電力出力部２６とを備えている。
【００３６】
ここで、スタティック消費エネルギーは、消費電力評価の対象となる通信処理用集積回路においてフレーム処理を行わないときの消費エネルギーに相当するので、シミュレーション等によりフレーム処理を行わないときの通信処理用集積回路の消費電力を予め求めておき、スタティック消費エネルギー計算部２２は、この消費電力を処理時間と乗算することによりスタティック消費エネルギーを計算することができる。
【００３７】
また、アクティブ消費エネルギー計算部２３は、入力フレームの種類を判別するフレーム判別部２３１と、入力フレームの種類に応じて、制御フレームのフレーム長に応じたアクティブ消費エネルギーを計算する第１の消費エネルギー計算部２３２と、ユーザフレームのフレーム長に応じたアクティブ消費エネルギーを計算する第２の消費エネルギー計算部２３３と、第１および第２の消費エネルギー計算部２３２、２３３によりフレームの種類ごとにそれぞれ算出されたアクティブ消費エネルギーの和をとる加算器２３４とを備えている。
【００３８】
このうち、フレーム判別部２３１は、入力フレームのフレーム長に基づいてその種類を判別する。本実施の形態においては、通信フレームの種類は、「Type/Length」フィールド（図１参照。）の値により判定することができる。例えば、ある通信フレームの「Type/Length」フィールドの値が１５３６バイト以下の場合は、ユーザフレームと判定し、それを越える場合は制御フレームと判定する。
【００３９】
［フレーム長に依存する消費電力計算］
ＭＯＳ集積回路の消費電力は、トグル率（トランジスタのＯＮ／ＯＦＦの変化の割合）と回路量により算出される。トグル率は処理に依存するが、フレームのビットに依存して逐次処理される。したがって、アクティブ消費エネルギーＥactiveは、フレーム長に対して線形近似できると想定できる。
【００４０】
そこで、制御フレームのフレーム長（ヘッダ部、データ部およびＦＣＳ部の合計の長さ）ＦC_all_lengthに依存する１フレームあたりのエネルギーを係数β_allと入力された制御フレームのフレーム長ＦC_all_lengthの積で表し、同様に、ユーザフレームのフレーム長（ヘッダ部、データ部およびＦＣＳ部の合計の長さ）ＦU_all_lengthに依存する１フレームあたりのエネルギーを係数ζ_allと入力されたユーザフレームのフレーム長ＦU_all_lengthの積で表し、入力される制御フレームおよびユーザフレームのフレーム数をそれぞれＮ１およびＮ２とすれば、通信処理用集積回路の入力フレームに対するフレーム長に依存するアクティブ消費エネルギーEactive は式４に示すような線形関数によって求めることができる。
【００４１】
【数２】
2014164552.tif 000004
【００４２】
ここで、第１項は制御フレームの処理におけるフレーム長に依存するエネルギーの和、第２項はユーザフレームの処理におけるフレーム長に依存するエネルギーの和である。入力フレームの種類とエネルギー評価項との対応を表１に示す。
アクティブ消費エネルギーEactiveを求めた後は、式１および式２により消費電力が算出できる。
【００４３】
［表１］入力フレームの種類とエネルギー評価項との対応
【表１】
2014164552.tif 000005
【００４４】
本実施の形態によれば、従来ではフレームのビット長に依存する消費電力を算出していたが、制御フレームの処理による消費エネルギーの項とユーザフレームの処理による消費エネルギーの項に分けることで、制御フレームの消費エネルギーとユーザフレームの消費エネルギーの差が大きい場合には従来より精度よく消費電力を求めることができる。
【００４５】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る消費電力計算方法は、入力フレームの種類別にアクティブ消費エネルギーを計算する点では上述した第１の実施の形態と共通するが、その際に、フレーム長以外のパラメータ、特にフレーム数の影響を考慮する点をその特徴とするものである。
なお、本実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法および装置は、アクティブ消費エネルギーＥactiveのモデルが若干異なるのみで、ハードウェア構成およびソフトウェア構成は第１の実施の形態と共通するので、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
本実施の形態においては、消費電力評価の対象となる通信処理用集積回路の全入力フレームに対するアクティブ消費エネルギーＥactiveは、入力フレームの種類ごとに、フレーム数に依存する部分とフレーム長に依存する部分との合計と考える。フレーム数に依存する部分とフレーム長に依存する部分とが、それぞれ入力フレーム数またはフレーム長に対して線形近似すると、アクティブ消費エネルギーEactiveを表すモデルは、式５のようになる。
【００４７】
【数３】
2014164552.tif 000006
【００４８】
式５は、式４の制御フレーム処理およびユーザフレーム処理の項を最小フレーム長のフレームによるエネルギーとフレーム長に依存するエネルギーに分割したものということができる。
式５において、Ｎ１は制御フレームの数、Ｎ２はユーザフレームの数、α、β、 γ、ζは係数、ＦC_lengthは制御フレームのフレーム長のうち最小６４バイトを超える分、ＦU_lengthはユーザフレームのフレーム長のうち最小６４バイトを超える分である。第１項は制御フレーム処理における最小フレーム長のときのエネルギー、第２項は制御フレーム処理におけるフレーム長の増加分に依存するエネルギー、第３項はユーザフレーム処理における最小フレーム長のときのエネルギー、第４項はユーザフレーム処理におけるフレーム長の増加分に依存するエネルギーになる。入力フレームの種類とフレーム長およびエネルギー評価項との対応を表２に示す。
第１〜４項の和Ｅactiveを求めた後は式１および式２により消費電力が算出できる。
【００４９】
［表２］入力フレームの種類とフレーム長およびエネルギー評価項との対応
【表２】
2014164552.tif 000007
【００５０】
［各種パラメータと消費電力との関係の求め方］  
次に、線形近似された各種パラメータと消費電力との関係、すなわち各種係数は、各種入力フレームの入力数を増減しながら、評価対象となる通信処理用集積回路の消費エネルギーを実測したりまたはシミュレーションしたりして、両者の関係を最小二乗法等の手法を用いて線形近似することによって求めることができる。
【００５１】
［係数αおよびβの導出］
まず、係数αを求めるために、フレーム長を最小の６４バイトに固定して、制御フレームの入力フレーム数を変化させた場合（このときユーザフレームは入力しない。）の消費電力（Ｗc1）を実測またはシミュレーションにより求める。制御フレームの入力フレーム数と「Ｗc1＊観測時間（もしくはシミュレーション時間）」、すなわち、フレーム長が最小の制御フレームを処理することによる消費エネルギーとの関係を最小二乗法により線形近似することにより係数αを求めることができる。
図４は、横軸を制御フレームの入力フレーム数、縦軸を「Ｗc1＊観測時間（もしくはシミュレーション時間）」として、制御フレームのフレーム数とアクティブ消費エネルギーとの関係を表したものである。両者の関係を１次近似したときの直線の傾きがαとなる。
【００５２】
係数αを決定した後、制御フレームのフレーム数を固定してフレーム長を変化させた場合（ユーザフレームは入力しない。）の消費電力から式５の第２項の係数βを算出する。
例えば、制御フレームの入力フレーム数をＮ１（Ｎ１は１以上の整数）個に固定し、同じフレーム長の制御フレームをＮ１個入力した場合の消費電力(Ｗc2)を実測もしくはシミュレーションで求める。制御フレームのフレーム長の増加分（入力フレーム数は固定。）とフレーム長が増加したことによる消費エネルギーの増加分との関係を最小二乗法により線形近似することにより係数βを求めることができる。
図５は、横軸を制御フレームのフレーム長の増加分（入力フレーム数は固定。）、縦軸を「Ｗc2＊観測時間（もしくはシミュレーション時間）−α＊Ｎ１」、すなわち、フレーム長が増加したことによる消費エネルギーの増加分として、両者の関係を表したものである。この関係を最小二乗法により１次近似したときの直線の傾きがβとなる。
【００５３】
［係数γおよびζの導出］
まず、係数γを求めるために、フレーム長を最小の６４バイトに固定して、ユーザフレームの入力フレーム数を変化させた場合（このとき制御フレームは入力しない。）の消費電力（Ｗu1）を求める。ユーザフレームの入力フレーム数と「Ｗu1＊観測時間（もしくはシミュレーション時間）」、すなわち、フレーム長が最小のユーザフレームを処理することによる消費エネルギーとの関係を最小二乗法により線形近似することにより係数γを求めることができる。
【００５４】
係数γを決定した後、ユーザフレームのフレーム数を固定してフレーム長を変化させた場合（制御フレームは入力しない。）の消費電力から式５の第４項の係数ζを算出する。
例えば、ユーザフレームの入力フレーム数をＮ２（Ｎ２は１以上の整数）個に固定し、同じフレーム長のユーザフレームをＮ２個入力した場合の消費電力（Ｗu2）を実測もしくはシミュレーションで求める。ユーザフレームのフレーム長の増加分（入力フレーム数は固定。）とフレーム長が増加したことによる消費エネルギーの増加分（「Ｗu2＊観測時間（もしくはシミュレーション時間）−γ＊Ｎ２」）との関係を最小二乗法により線形近似することにより係数ζを求めることができる。
【００５５】
本実施の形態に係る消費電力計算方法によれば、制御フレームおよびユーザーフレームの、フレーム数、フレーム長の増加分の影響を考慮し、より精度の高い消費電力の計算できる。
【００５６】
［第３の実施の形態］
制御フレームの処理に関わる消費電力を求める場合や、ユーザフレーム処理に係るエネルギーが制御フレーム処理に係るエネルギーに比べて極端に少ない場合は、消費電力評価の対象となる通信処理用集積回路のアクティブ消費エネルギーのモデルは、式６のように表すことができる。
【００５７】
【数４】
2014164552.tif 000008
【００５８】
ここでＮ１は制御フレームの数、α、βは係数、ＦC_lengthは制御フレームのフレーム長のうち最小６４バイトを超える分である。第１項は制御フレーム処理における最小フレーム長のときのエネルギー、第２項は制御フレーム処理におけるフレーム長の増加分に依存するエネルギーになる。
式６に基づいてアクティブ消費エネルギーEactiveを求めた後は式１および式２により消費電力が算出できる。
【００５９】
［第４の実施の形態］
第３の実施の形態とは逆に、ユーザフレームの処理に関わる消費電力を求める場合や、制御フレーム処理に係るエネルギーがユーザフレーム処理に係るエネルギーに比べて極端に少ない場合は、消費電力評価の対象となる通信処理用集積回路のアクティブ消費エネルギーのモデルは、式７のように表すことができる。
【００６０】
【数５】
2014164552.tif 000009
【００６１】
ここでＮ２はユーザフレームの数、γ、ζは係数、ＦU_lengthはユーザフレームのフレーム長のうち最小６４バイトを超える分である。第１項はユーザフレーム処理における最小フレーム長のときのエネルギー、第２項はユーザフレーム処理におけるフレーム長の増加分に依存するエネルギーになる。式７に基づいてアクティブ消費エネルギーEactiveを求めた後は式１および式２により消費電力が算出できる。
【００６２】
［第５の実施の形態］
本発明の第５の実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法は、アクティブ消費エネルギーを計算するにあたって複数のエネルギー評価モデルを有するものである。例えば、通信処理用集積回路のアクティブ消費エネルギーを表すモデルは、クロックゲーティング、パワーゲーティングのような電力削減方式適用の有無に応じて複数設けることが考えられる。
【００６３】
この場合、上述した式５を例にとるならば、各係数α、β、γ、ζを、電力削減方式適用の有無に関するアーキテクチャごとに、α１、β１、γ１、ζ１  〜  αＮ、βＮ、γＮ、ζＮのように、それぞれ異なる係数を各条件の下で算出することができる。また、式５の第２項および第４項の近似式も同様に複数の近似式を適用することが可能である。
各係数等は、第２の実施の形態において説明した方法で求めることができる。回路形式が同様な場合は係数等を流用して近似式を計算することもできる。
【００６４】
近似式を用いた消費電力評価式を用いることで簡便に消費電力が求められる。異なるアーキテクチャによる消費電力がそれぞれ短期間で求められるので、複数のアーキテクチャ候補の中から消費電力の面で最適な構成を短期間で選択でき、最適化を行うことも可能となる。
【００６５】
［第６の実施の形態］
本発明の第６の実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法は、通信処理用集積回路の状態遷移に伴い消費エネルギーが変化する場合に対応するものである。
状態遷移の一例として、フレーム量が少ない場合は集積回路に搭載したメモリによる内部バッファを使用し、フレーム量が多い場合は外付けで搭載したメモリ外部バッファを使用してフレーム処理する場合を考える。内部バッファを使用する状態（「ステートＡ」）と外部バッファを使用する場合（「ステートＢ」）とでは、アクティブ消費エネルギーは異なり、前者より後者の方が大きくなる。
【００６６】
仮に図６に示すように、ステートが  Ａ、Ｂ、Ａと遷移する場合、この状態遷移に伴い、各ステートにおけるアクティブ消費エネルギーもＥactive A、Ｅactive B、Ｅactive Cと変化する。このときの各ステートにおけるアクティブ消費エネルギーは、次の式８〜式１０によって算出され、この状態遷移を含む処理におけるアクティブ消費エネルギーは、式１１のように、Ｅactive A、Ｅactive B、Ｅactive C を合計することによって求めることができる。このようにして求めたアクティブ消費エネルギーとスタティック消費エネルギーとの和Ｅを処理時間Ｔで除算することにより、消費電力を計算することができる（式１、式２参照。）。
【００６７】
ＥactiveA ＝  αA×ＮA１＋ΣβA×ＦC_lengthA
＋γA×ＮA２＋ΣζA×ＦU_lengthA                      （式８）
ＥactiveB ＝  αB×ＮB１＋ΣβB×ＦC_lengthB
＋γB×ＮB２＋ΣζB×ＦU_lengthB                      （式９）
ＥactiveC ＝  αA×ＮC１＋ΣβA×ＦC_lengthC
＋γA×ＮC２＋ΣζA×ＦU_lengthC                      （式10）
Ｅactive  ＝ ＥactiveA ＋ ＥactiveB ＋ ＥactiveC                  （式11）
【００６８】
ここで、係数αAおよびαBは、それぞれステートＡおよびステートＢにおける制御フレームのフレーム数に依存するアクティブ消費エネルギーに関する係数であり、係数βAおよびβBは、それぞれステートＡおよびステートＢにおける制御フレームのフレーム長に依存するアクティブ消費エネルギーに関する係数である。また、係数γAおよびγBは、それぞれステートＡおよびステートＢにおけるユーザフレームのフレーム数に依存するアクティブ消費エネルギーに関する係数であり、係数ζAおよびζBは、それぞれステートＡおよびステートＢにおけるユーザフレームのフレーム長に依存するアクティブ消費エネルギーに関する係数である。これらの係数は、ステートごとに、第２の実施の形態において説明したように、実測またはシミュレーションによりアクティブ消費エネルギーを求め、最小二乗法等の手法を用いることによって求めることができる。
また、ＮA１、ＮB１、ＮC１は、それぞれ最初のステートＡ、ステートＢ、２回目のステートＡにおける制御フレームのフレーム数、ＮA2、ＮB2、ＮC2は、それぞれ最初のステートＡ、ステートＢ、２回目のステートＡにおけるユーザフレームのフレーム数である。また、ＦC_lengthA 、ＦC_lengthB、ＦC_lengthCは、それぞれ最初のステートＡ、ステートＢ、２回目のステートＡにおける制御フレームのフレーム長のうち最小６４バイトを超える分、ＦU_lengthA 、ＦU_lengthB、ＦU_lengthCは、それぞれ最初のステートＡ、ステートＢ、２回目のステートＡにおける制御フレームのフレーム長のうち最小６４バイトを超える分を表している。
【００６９】
以上のように、ステートごとに係数を求めておくことによって、通信処理用集積回路の状態遷移に伴い消費エネルギーが変化する場合にも、消費電力を予測することができる。
【００７０】
［第７の実施の形態］
本発明の第７の実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法は、上述した第６の実施の形態と同様に、通信処理用集積回路の状態遷移に伴い消費エネルギーが変化する場合に対応するものである。本実施の形態は、状態遷移の契機を制御フレームから抽出することでステートが変化する例として、ＯＮＵのスリープ制御に伴うアクティブ消費エネルギーの計算に関する。
【００７１】
例えば、ＯＮＵのスリープ制御は、図８に示すように、制御信号のスリープ開始のフレームを受信することで通常状態（「ステートＡ」）からスリープ状態（「ステートＢ」）に遷移し、制御信号のスリープ終了のフレームを受信することでスリープ状態（「ステートＢ」）から通常状態（「ステートＡ」）に遷移する。
このような状態遷移の結果、各ステートのアクティブ消費エネルギーは、Eactive A、 Eactive B、Eactive Cと変化する。
【００７２】
第６の実施の形態と同様に、ステートごとの係数を予め求めておくことにより、それぞれのステートにおける入力フレームの種類、フレーム数およびフレーム長から、Eactive A、 Eactive B、Eactive Cを近似式から求めることができるので、この状態遷移を含む処理におけるアクティブ消費エネルギーを、Ｅactive A、Ｅactive B、Ｅactive C を合計することによって求めることができる。このようにして求めたアクティブ消費エネルギーとスタティック消費エネルギーとの和Ｅを処理時間Ｔで除算することにより、消費電力を計算することができる（式１、式２参照。）。
【００７３】
［第８の実施の形態］
上述した各実施の形態は、アクティブ消費エネルギーを処理時間におけるフレーム数等に基づいて求めていたが、本発明の第８の実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法は、単位時間あたりのビット長、フレーム数に基づいて消費電力を計算する方法である。  
【００７４】
例えば、単位時間あたりの有効ビット長（フレーム長の８倍を積算した値）をＧ  bps(bits per second) 、単位時間あたりのフレーム数をＨ  fps(frames per second)、δはbpsに依存する関数、εはfpsに依存する関数、エネルギーを加算する時間をＴ’とすれば、アクティブ消費エネルギーＥactiveは、式１２のように表すことができる。
【００７５】
Ｅactive =  ｛δ(G)＋ε(H)｝×Ｔ’                                （式12）
【００７６】
式１２は、フレーム長やフレーム数が時間の経過に伴って変動する場合に単位時間あたりの平均値を代表させることによって積算が不要になり、より単純な計算で消費電力を見積もることができる。
【００７７】
関数δ、εもまた、フレーム長やフレーム数を変動させながら実測またはシミュレーションによって得られた結果を解析することによって得ることができる。
【００７８】
図８は、単位時間あたりのビット長、フレーム数に依存する消費電力の例として、10G-EPON(Gigabit Ethernet PON) ONU LSIを実例として、消費電力のbps、fps依存性を実測により求めたものである。横軸は単位時間あたりのフレーム数（fps）、縦軸はフレーム入力有無による消費電力の増分を表し、単位時間あたりのビット長（bps）を複数の値、すなわち、２Gbps、４Gbps、６Gbps、８Gbpsにそれぞれ固定した場合の近似線を求めた。図８から、消費電力のbps依存性を示すとともに、同じ単位時間あたりのビット長（bps）でも、単位時間あたりのフレーム数（fps）の増加により消費電力が増加することがわかる。
【００７９】
このように、単位時間あたりのビット長、フレーム数に基づいても消費電力を計算することができる。
さらに入力フレームの種類、すなわち制御フレームおよびユーザフレームの別に、関数δおよびεを求めれば、通信処理用集積回路の消費電力をより高い精度で計算することができる。
【００８０】
次に、本実施の形態に係る通信処理用集積回路の消費電力計算方法を用いて、通信処理用集積回路の特定機能の有無による消費電力の違いを計算する例を示す。
【００８１】
図９は、消費電力算出対象としてＰＯＮにおけるＯＮＵ３の通信処理用集積回路３０のフレーム処理に関わる主要ブロックを示したものである。図９に示すように、ＯＮＵ３の通信処理用集積回路３０は、通信データを暗号化する暗号部３０１と、ＯＬＴ（Optical Line Terminal）とのリンクの確立や時刻同期を司るＰＯＮ制御部３０２と、サービス種類や装置利用形態に応じてデータを変換するブリッジ部３０３と、データを一時蓄積するバッファ部３０４とを備えている。
【００８２】
ここで、暗号機能の適用の有無による消費電力の変化を検証するため、暗号部３０１の暗号化機能を適用した場合と適用しなかい場合とにおける消費電力をそれぞれ計算した。その結果、図１０に示すように、暗号化機能を適用した場合も適用しなかった場合も、単位時間当たりのビット長（Gbps）が大きくなるにつれて消費電力も増加するが、暗号化機能を適用した場合の方が適用しなかった場合よりも消費電力の増分が大きくなっており、暗号機能の適用の有無によって消費電力の増加に有意な差が生じることが確認できた。
【００８３】
一般に通信処理用集積回路は、フレーム数や機能に依存して消費電力が変化する。そのような様々な特徴を持つ通信処理用集積回路の消費電力を評価するにあたり、上述したように、入力フレームのフレーム長のみならず、入力フレームの種類、すなわち制御フレームとユーザフレームの違い、さらにはフレーム数の依存性、機能適用有無等を考慮して消費電力を算出するモデルを構築することで、より精度のよい消費電力算出ができる。
また、計算時間についても、考慮する処理の特長ごとに線形近似することによって、処理時間に応じて線形に増加するのみなので、計算時間が膨大に増えるようなことはない。
また、制御フレーム処理のみを対象とする場合は、制御フレーム処理の影響項のみを、ユーザフレーム処理を対象とする場合はユーザフレーム処理の影響項のみを計算することで計算量を抑えることができる。
【符号の説明】
【００８４】
２１…通信フレーム入力部、２２…スタティック消費エネルギー計算部、２３…アクティブ消費エネルギー計算部、２３１…フレーム判定部、２３２…第１の消費エネルギー計算部、２３３…第２の消費エネルギー計算部、２３４、２４…加算器、２５…除算器、２６…消費電力出力部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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