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低功耗CMOS IC设计-陈中建——第4讲电路级的LP设计技术
低功耗CMOS IC设计第4讲 电路级的低功耗设计技术 zjchen@ime.pku.edu.cn理科2号楼2617 微电子学系 授课内容一览 上一讲 工艺和器件级 降低动态功耗 特征尺寸 降低节点电容。从0.8?m工艺改为0.64?m,功耗降低25% 电源电压 降低电源电压,以降低动态功耗 降低电源电压而不影响性能的技术:并行,流水线,多电源电压 封装 降低压点上的动态功耗。压点:5-几十pF;片内节点:几十fF 降低泄漏功耗 开发LP新工艺 阈值电压 采用多阈值、变阈值技术、强化关断,在不影响电路速度的情况下降低亚阈值泄漏功耗 采用VTMOS技术的MPEG4芯片的泄漏功耗:10mA--10uA 栅介质 采用高K栅介质,在不影响电路速度的情况下减小栅极泄漏功耗15% 工艺级LP设计实例 SPIFFEE在性能相近的情况下,SPIFFEE的能量利用率是已有产品的75倍以上 本讲 降低动态功耗 准绝热电荷转移技术 减摆幅技术 低功耗原理 实例 减摆幅低功耗Domino逻辑电路 Rjoub, A.; Circuits and Systems, 1998. ISCAS 98. Proceedings of the 1998 IEEE International Symposium on , Volume: 2 , 31 May-3 June 1998; Page(s): 13 -16 vol.2 FIFO memory cells电路片断 电荷再利用技术 低功耗原理 实例 采用电荷再循环利用技术的超高速数据传输总线结构 IEEE Journal of SSC 1995 vol30 No4 page423 含义 含义? quasi-adiabatic 电荷转移过程中消耗在阻性通路上的功耗为零 释放出的热能为零 意义 用来降低动态功耗 电容充电中的能耗分析 电源能耗 电容储能 50%电源能耗用于阻性通路,转化为焦耳热 非绝热电荷转移过程 电容充电中的能耗分析 准绝热电荷转移技术分析 准绝热电荷转移过程中的能耗 准绝热电荷转移过程的能耗和能量利用率 准绝热电荷转移 讨论 提高利用率以增加延迟为代价 随着N的增大,利用率提高的增幅逐渐下降 N存在最优值 深入分析准绝热电荷转移LP的机理 从物理上讲,它为什么能降低动态功耗? 降低了阻性通路上的功耗 从数学上讲,其LP机理体现在动态功耗公式中的哪个参数上? 数学是物理的数学表达,因此一定会有体现 VDD 为什么? 准绝热电荷转移过程中的能耗 准绝热LP技术研究概况 通过绝热逻辑电路(adiabatic logic circuits)实现VLSI 有专门文献介绍 分为全绝热和准绝热两种 属于蓄能并再利用电路的一种(Energy recovering circuitry) 容性节点放电时把释放的能量蓄存起来 电源电压和地电压是变化的(锯齿波、正弦波等),来实现LP;时序控制复杂 一直有研究进展 2006,Semi-Custom Design of Adiabatic Adder Circuits, Proceedings of the 19th International Conference on VLSI Design (VLSID’06) 2007, Low-Voltage Single-Phase Clocked Quasi-Adiabatic Pass-Gate Logic 2008, An Asynchrobatic, radix-four, carry look-ahead adder 准绝热LP技术研究概况 已报道多种类型的绝热单元电路 2N-2P, 2N-2N2P, PFAL, Pass Transistor Adiabatic Logic(PAL), Clocked Adiabatic Logic (CAL),Improved Pass-gate Adiabatic logic (IPGL), Adiabatic Differential Switch Logic (ADSL)等 用于全定制设计,追求最佳性能,特别是LP 用于Standard cell-based design中 用于memory设计中 2006 Semi-Custom Design of Adiabatic Adder Circuits 研究了LP绝热加法器电路,VDD为正弦 8-bit carry lookahead adders and tree adders 基于绝热逻辑单元电路实现 研究了研究结果表明:“the cell based design of tree adder circuits can save energy ranging fro
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