集成電路功耗估計及低功耗設(shè)計.pdf

1、隨著制造工藝的發(fā)展，功耗成為集成電路設(shè)計中的一個十分關(guān)鍵的問題，傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計主要圍繞動態(tài)功耗的估計和優(yōu)化展開。進入深亞微米工藝后，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)計和低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計中。本文主要內(nèi)容涉及以下方面： (1)集成電路功耗估計及優(yōu)化實驗平臺。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，進行晶體管級的電路功耗估計，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)果進行有效的驗證。在該平臺上實現(xiàn)了動態(tài)功耗，冒險功耗及上電功耗估計和靜態(tài)功耗估計等，可信高效的實驗平臺是全文工作的基礎(chǔ)。 (2)動態(tài)功耗估計及優(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驗進行有效的驗證分析，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)電路中存在的冒險共振現(xiàn)象，并用它加速動態(tài)功耗估計，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)功耗進行準(zhǔn)確功耗估計方法，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)，然后提出一個邏輯級漏電模型，并實現(xiàn)相應(yīng)的基于查表的漏電流模擬器；在這個模擬器的基礎(chǔ)上，進行了最大漏電流估計、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)計中。這部分內(nèi)容主要解決的關(guān)鍵問題是確定一個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方法，是本文重要的創(chuàng)新點。 (4)低功耗微處理器設(shè)計。作為典型應(yīng)用實例，文章給出了一款嵌入式低功耗處理器的設(shè)計(已投片成功)，并在該處理器中進行了多種低功耗設(shè)計方面的嘗試。

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)計目標(biāo)，這款芯片采用了動態(tài)功耗管理機制和層次化的功耗管理機制，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)資源管理機制，實現(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)計中。 (5)低功耗系統(tǒng)設(shè)計。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)計方法。作為近幾年的熱點領(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)、微機電系統(tǒng)、嵌入式計算技術(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技術(shù)，是當(dāng)前國際上倍受關(guān)注的、多學(xué)科