Методы оптимизации энергопотребления в микроэлектронных системах

• Автор: Ковалев, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01, 05.13.12
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 235 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

I. Источники РАССЕИВАЕМОЙ мощности в КМОП СБИС

1.2. Классификация методов уменьшения величины РАССЕИВАЕМОЙ МОЩНОСТИ В КМОП СБИС.

1.3. КОНЦЕПЦИИ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХНАКРИСТАЛЛЕ.

1.3.1. Энергосбережение на технологическом уровне

1.3.2. Снижение потребления энергии на схемотехническом уровне.

1.3.3. Снижение потребления энергии на уровне логики.

1.3.4. Снижение потребления энергии на уровне протоколов.

1.3.5. Снижение потребления энергии i архитектурном уровне.

1.3.6. Сниэсение потребления энергии на программном уровне
1.4. А СИНХРОННЫЕ СХЕМЫ.
1.4.1. Классы асинхронных схем.
1.4.2. Принципы работы асинхронных схем
1.4.3. Сэлемент.
1.4.4. Методы синтеза асинхронных функциональных блоков
1.5. Квантовые клеточные автоматы.
1.6. Выводы
2 МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ АСИНХРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ СИСТЕМНАКРИСТАЛЛЕ
2.1. Схемотехническое формирование асинхронных
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ.
2.1.1. Описание метода схемотехнического формирования блоков.
2.1.2. Исследование эффективности создаваемых асинхронных схем
2.2. Модели энергопотребления асинхронных функциональных блоков КМОП СБИС.
2.2.1. Аналитические модели для оценки энергопотребления и задержек сигналов.
2.2.2. Сравнение оценок предлоэсенной модели с результатами моделирования
2.3. Выводы.
3 СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ НА АРХИТЕКТУРНОМ УРОВНЕ
3.1. Метод оптимизации аппаратных затрат в системена
КРИСТАЛЛЕ
3.2. Применение метода оптимизация аппаратных затрат
ПРИ ПРОЕКТИРОВА НИИ А СИНХРОННОЙ СИСТЕМЫ
3.2.1. Архитектуры турбодекодера.
3.2.2. Оптимизированная асинхронная архитектура декодера.
3.2.3. Анализ энергопотребления и эффективности декодирования
3.3. Метод оптимизации межблочных транзакций и
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАДА 4 В С ИСТ ЕМ АХНАКРИСТ АЛЛЕ
3.3.1. Описание метода.
3.3.2. Модели оценки энергоэффективности межсоединений в системенакристалле
3.4. Выводы
4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫЧИСЛИГЕНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ КЛЕТОЧНЫХ АВТОМАТОВ.
4.1. Метод построения логических схем на основе
МАЖОРИТАРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КВАНТОВЫХ КЛЕТОЧНЫХ АВТОМАТОВ
4.2. Разработка и исследование конструкций элементов асинхронной логики на основе КВАНТОВЫХ КЛЕТОЧНЫХ АВТОМАТОВ
4.3. Выводы
5 МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМНАКРИСТАЛЛЕ
5.1 Методология проектирования асинхронных систем
5.2. Метод проектирования асинхронных СФблоков ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ систем с использованием ЯЗЫКА С.1
5.3. Метод построения УНОЕописаний СФблоков для повторного использования на основе описаний на языке БубтемС
5.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Конечно, ток утечки одного транзистора невелик (единицы пикоампер), но если схема состоит из огромного числа транзисторов, то эффект влияния этого тока может быть существенным. Однако, как правило, суммарное значение токов утечки в 5-6 раз меньше, чем динамических токов, и в расчетах их обычно не учитывают. Хотя минимизация мощности утечки является важным аспектом сохранения энергии в КМОП-схемах, это проблема общего харакгера, которая никак не зависит от вычислительных процессов или различиях в обрабатываемых данных. Методы снижения мощности утечки выходят за рамки данной работы. Для более детального изучения методов снижения мощности утечки можно обратиться к источникам [7, 8]. III) Рассеиваемая мощность при сквозном токе. При работе КМОП-элемента р- и п- транзисторы в связанных цепочках не должны быть открыты в одно и то же время. Однако это верно только в идеальном случае. На практике почти всегда есть короткий период времени, в котором оба типа транзисторов находятся в открытом состоянии и сквозь них протекает ток от источника питания к «земле». Этот ток называется током короткого замыкания или сквозным током. Если входной сигнал изменяется относительно медленно (пологий фронт), то и период протекания сквозного тока становится длительным, приводя в итоге к значительному рассеиванию мощности. Следовательно, чем меньше разница между этими значениями, тем меньше сквозной ток. Величина сквозного тока обратно пропорциональна емкости нагрузки С„. При отсутствии емкости значение тока максимально, при возрастании емкости нагрузки ток уменьшается. Иногда для упрощения определения сквозного тока вводится дополнительная емкость Сск, которая размещается параллельно С„. Ск^. СЛ. Мощность, рассеиваемая КМОП-схсмой вследствие протекания сквозного тока, может составлять от до % от общей динамической мощности. Ее величина зависит от таких параметров, как вольтамперные характеристики транзисторов (напряжение отпирания и запирания транзисторов), длительности переднего и заднего фронтов входного сигнала, емкости нагрузки, напряжения питания и т. Проектирование с учетом данных особенностей КМОП-схем позволит сократить мощность «короткого замыкания» до незначительной величины. Точные выражения для расчета сквозных токов и рассеиваемой мощности представлены в [3, 9]. IV) Статическая рассеиваемая мощность. В традиционных комплементарных схемах статическая рассеиваемая мощность отсутствует, так как во время любой операции в статике цепочки из р- и п-транзисторов закрыты. Однако в схемах, выполненных в других вариантах КМОП-логики (псевдо п-МОП логика, элементы «монтажное ИЛИ» и др. МОП логике присутствует один р-МОП транзистор, чей затвор постоянно подключен к «земле»; когда цепочка п-МОП транзисторов открывается, то возникает статический ток между источником питания и «землей». Для схем с резистивной нагрузкой ток протекает как в состоянии логического нуля, так и в состоянии логической единицы. Р,°,«е+? Р5°С? Р^сас ~ мощность, потребляемая узлом схемы в состоянии «0» или «1», соответственно. При использовании КМОП-технологии не рекомендуется использовать резистивную нагрузку выходов. Если без этого обойтись нельзя, то увеличивают величину сопротивления нагрузки, уменьшают напряжение питания или минимизируют вероятность нахождения схемы в логическом состоянии, при котором ток нагрузки максимален. Не существует универсального решения, которое было бы применимо во всех возможных ситуациях. Поэтому необходимо учитывать особенности проектируемого устройства (такие как быстродействие, затраты на реализацию, надежность, тестируемость, ремонтопригодность и т. Рассмотрим основные подходы, применяемые комплексно или в отдельности для уменьшения потребления энергии при проектировании КМОП СБИС. На рис. Рис. При традиционных КМОП-технологиях (минимальные размеры элементов не переходят в субмикронную область) основную долю рассеиваемой мощности составляет динамическая мощность, которая определяется выражением (2). Снижение любого параметра - напряжения питания, напряжения переключения, перезаряжаемой емкости или частоты переключения - приводит к снижению величины рассеиваемой мощности.