集成電路功耗估計(jì)及低功耗設(shè)計(jì).pdf

1、隨著制造工藝的發(fā)展，功耗成為集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)十分關(guān)鍵的問題，傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)主要圍繞動態(tài)功耗的估計(jì)和優(yōu)化展開。進(jìn)入深亞微米工藝后，出現(xiàn)了很多新的功耗問題，例如漏電流的迅猛增長引起了一系列新問題的產(chǎn)生。本文主要研究漏電流的估計(jì)和優(yōu)化以及與之相關(guān)的問題，并應(yīng)用于一款低功耗處理器設(shè)計(jì)和低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。本文主要內(nèi)容涉及以下方面： (1)集成電路功耗估計(jì)及優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺。本文結(jié)合多種不同的電路格式，自主定義了一種邏輯級電

2、路的中間表示形式(稱為UMCF)和一系列極具特色的與低功耗技術(shù)相關(guān)的操作，它不但可以實(shí)現(xiàn)與其他多種電路格式之間的相互轉(zhuǎn)換，還可以將電路直接轉(zhuǎn)換成HSPICE可以接受的文件，進(jìn)行晶體管級的電路功耗估計(jì)，這樣可以在公認(rèn)的高精度的功耗模擬器上，對本文的結(jié)果進(jìn)行有效的驗(yàn)證。在該平臺上實(shí)現(xiàn)了動態(tài)功耗，冒險(xiǎn)功耗及上電功耗估計(jì)和靜態(tài)功耗估計(jì)等，可信高效的實(shí)驗(yàn)平臺是全文工作的基礎(chǔ)。 (2)動態(tài)功耗估計(jì)及優(yōu)化。研究了功耗敏感性原理，并推導(dǎo)出相關(guān)的

3、數(shù)學(xué)模型，給出了一套完整的組合電路的功耗敏感性理論分析的方法并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效的驗(yàn)證分析，它可用于動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗的特性分析中；分析了常用基準(zhǔn)電路中存在的冒險(xiǎn)共振現(xiàn)象，并用它加速動態(tài)功耗估計(jì)，取得了意想不到的效果；文章給出了一種針對電路上電的瞬態(tài)功耗進(jìn)行準(zhǔn)確功耗估計(jì)方法，在有效建模的基礎(chǔ)上，給出了一些有指導(dǎo)性意義的結(jié)論；文章繼續(xù)研究了輸入向量控制法，并在動態(tài)功耗優(yōu)化方面進(jìn)行了應(yīng)用，具有比較好的效果。對動態(tài)功耗的研究有利于我們了解較低工

4、藝下的功耗行為，這部分內(nèi)容也是深亞微米工藝下低功耗技術(shù)的研究基礎(chǔ)。 (3)靜態(tài)功耗估計(jì)及優(yōu)化。這部分在研究了靜態(tài)功耗的來源及現(xiàn)有較成熟的靜態(tài)功耗模型的基礎(chǔ)上，參考研究領(lǐng)域普遍采用的BSIM模型，研究了CMOS晶體管和基本邏輯門電路中都廣泛存在的堆棧效應(yīng)，然后提出一個(gè)邏輯級漏電模型，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的基于查表的漏電流模擬器；在這個(gè)模擬器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了最大漏電流估計(jì)、最小漏電向量產(chǎn)生、平均漏電宏模型以及靜態(tài)功耗壓縮模擬方法等一系列問題的

5、研究，它們相對獨(dú)立卻又合成一體。另外文章還提出了一種靜態(tài)功耗壓縮估計(jì)方法和一種雙閾值電壓快速優(yōu)化方法，它可以很好地用在低漏電電路的設(shè)計(jì)中。這部分內(nèi)容主要解決的關(guān)鍵問題是確定一個(gè)簡單而相對精確的較高層的靜態(tài)功耗模型，并使用更多上層功耗信息來加速較低層次的功耗估計(jì)方法，是本文重要的創(chuàng)新點(diǎn)。 (4)低功耗微處理器設(shè)計(jì)。作為典型應(yīng)用實(shí)例，文章給出了一款嵌入式低功耗處理器的設(shè)計(jì)(已投片成功)，并在該處理器中進(jìn)行了多種低功耗設(shè)計(jì)方面的嘗試。

6、這是一款RISC指令集的低功耗處理器芯片，它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，兼容了AVR指令集，具有4KB片內(nèi)SRAM，128KB Flash(暫時(shí)處于片外)，除了基本處理功能外還具有SPI、I<'2>C、UART等常用嵌入式接口。這款嵌入式處理器內(nèi)建了安全協(xié)處理器，可以保證傳輸及數(shù)據(jù)處理的完整性、安全性及一致性等工作。低功耗高性能是我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這款芯片采用了動態(tài)功耗管理機(jī)制和層次化的功耗管理機(jī)制，在很大程度上降低了系統(tǒng)功耗。作為這款芯片的顯著特

7、點(diǎn)之一，我們提出了一種基于事件觸發(fā)的片內(nèi)多線程的動態(tài)資源管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了功耗的大幅度優(yōu)化，適用于具有較多外設(shè)功能的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。 (5)低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整體系統(tǒng)的功耗不但取決于使用的各種芯片本身的功耗，更取決于系統(tǒng)級的低功耗設(shè)計(jì)方法。作為近幾年的熱點(diǎn)領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種面向特定任務(wù)的自組織網(wǎng)絡(luò)，它綜合了傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理等各項(xiàng)技術(shù)，是當(dāng)前國際上倍受關(guān)注的、多學(xué)科