научная статья по теме ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПО ПРОЕКТНЫМ НОРМАМ 250-90 НМ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПО ПРОЕКТНЫМ НОРМАМ 250-90 НМ»

Гармаш А.А., соискатель

(Национальный исследовательский ядерный

университет «МИФИ»)

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ, РАЗРАБАТЫВАЕМЫХ ПО ПРОЕКТНЫМ НОРМАМ 250-90 НМ.

Разработана методика расчета оптимального числа каскадов и коэффициентов нагрузки логической цепи с минимальным энергопотреблением при предельном быстродействии.

ENERGY OPTIMIZATION OF 250-90NM LOGICAL CIRCUIT NATIONAL RESEARCH NUCLEAR UNIVERSITY "MEPHI"

Was developed the technique for calculation the optimal number of stages and load factors of the logical circuits whit minimal power consumption at maximum performance.

Для расчета задержки логическую цепь представляют в виде цепочки эквивалентных инвертеров (ЭИ) [1]. Размеры ЭИ выбираются такими, чтобы обеспечить одинаковый с соответствующим логическим элементов (ЛЭ) ток перезаряда нагрузочной емкости. При этом учитывается следующие параметры:

mc¡ - собственный коэффициент разветвления ЛЭ, показывающий, во сколько раз входная емкость ЛЭ больше входной емкости ЭИ;

mni - паразитный коэффициент разветвления ЛЭ, показывающий, во сколько паразитная емкость на входе ЛЭ больше входной емкости ЭИ.

В работе [2] разработана методика расчета оптимального числа каскадов и коэффициентов нагрузки логической цепи с предельным быстродействием. Коэффициент нагрузки MHi i-го логического элемента цепи показывает, во сколько раз эквивалентная емкость на его входе меньше эквивалентной емкости нагрузки на его выходе. Под эквивалентной емкостью подразумевается емкость, нормированная на собственную входную емкость инвертора с минимальными размерами транзисторов для заданного технологического базиса.

Оптимальное число каскадов логической цепи определяется выражением [2]:

No„ = -!ПМя! (1).

ЧМОПТ )

МН - коэффициент нагрузки (КН) цепи, определяемый выражением [2]:

С N

Мн = ХП mcim nim ЭК (2)

Свх i

где: N - число каскадов логической цепи; m.® - число эквивалентных логических элементов подключено к i-му узлу цепи [2], Свх - входная емкость цепи, СН - емкость нагрузки цепи.

МОпТ - оптимальный коэффициент нагрузки, определяемый выражением [2]:

Мопт = e

2

1 + — (3),

где - у0 = Свх0/Свых0. Свх0 и Свых0 - соответственно входная и выходная емкость инвертора с минимальными для данной технологии размерами транзисторов. Для технологий уровня 250-90 нм Мопт ~ 3,6....3,8 [3].

В работе [2] показано, что зависимость времени распространения сигнала через логическую цепь (1;З) от МН; имеет пологий минимум в области МОПТ±0,4. Поэтому изменение МН; вдоль этого минимум не приводит к значительному (более 5 %) [2] ухудшению задержки.

Рассмотрим, как влияет значение Мш на потребляемую мощность при подаче на вход логической цепи (рис.1) сигнала с частотой /.

Рис.1. Пример логической цепи.

Согласно формула [4] при изменении логического состояния 1-го каскада рассевается энергия, равная сумме энергий:

- Еуз1 = ^С;иип , связанной с перезарядом узловой емкости;

- Еск1 = 1пер.ср.1 ии.п. Л!фь связанной с протеканием сквозного тока.

Предположим, что сигнал изменение логического уровня узлов цепи происходит линейно (ток заряда/разряда постоянен). Тогда:

Л1ф1 = 0,6С;-1Ци.п./^-11о,

где - коэффициент, показывающий, во сколько размеры транзистора 1-го каскада, больше размеров транзисторов минимального для данной технологии инвертора; 10 - ток, выдаваемый в нагрузку инвертором с минимальными для данной технологии размерами транзисторов. Отношения Ци.п./(Ци.п. + ипор.п + ипор.р) ~ 0,6 для технологий уровня 250-90нм [3], поэтому в выражении для Л1ф; присутствует множитель 0,6.

Подставляя выражение для Л1ф; в выражения для Еск1, получаем:

ЕсК1 = 0,5С;-1х 1пер.ср,1 xUи.П.2/Wi.lIо (4).

Средний ток переключения 1-го каскада 1пер.ср,1 = 1пер.ср,0 х wi, где 1пер.ср,0 - средний ток переключения инвертора с минимальными размерами транзисторов. Подставляя значение среднего тока в выражение (4) получаем:

Еск1 = 0,5С1-1Х 1пер.ср,0 х Wi хии.п.^-Ж =0,9С1-1хМн1-1х 1пер.ср,0 хии.п.2/10 (5).

Отношение мощности, связанной с протеканием сквозного тока, к узловой мощности оценивается выражением:

Еск1/ ЕУз! = 1,8С1-1ХМн1

-1х 1пер.ср,0 /10хС1 (6).

Согласно [2]:

С1-1 = Wi-l(Свых0 +Мн1-1Свх0 ) (7),

С = Wi(Свых0 +Мн1Свх0 ) (8),

где Свх0 и Свых0 - значение входной и выходной емкости инвертора с минимальными для данной технологии размерами транзисторов. Для технологий уровня 250-90 нм значение отношения Свх0/ Свых0 ~ 0,7 (с 5-7% точностью). Подставляя это значение в (7),(8) и (6) получаем:

Еск1/ Еуз1 = 1,2 (1+0,7Мш-1)х 1пер.ср,0

/10х(1 +0,7Мн1 ) (9).

В [4] показано, что для технологий 250-90 нм отношение 1пер.ср,0 /10 ~ 1/13, поэтому:

Еск1/ Еуз1 = 1,2 (1+0,7Мш-1)/13(1 +0,7Мн1 ) (10).

Зависимость отношения Еск1/ Еуз1 от (Мн1-1, Мн1) представлена на рис.2, из которого видно, что доля мощности, связанной с протекание сквозного тока, составляет менее 10 % от узловой мощности, если Мн1-1 < Мн1.

Рис.2. Зависимость ЕСЮ/Ey3i от (MHi-1, Мн).

Определим NonT и МОПТ логической цепи с минимальным энергопотреблением при предельном быстродействии.

В случае N каскадов, с коэффициентом нагрузки Мн;, потребляемая мощность согласно (4) и (5) определяется выражением:

N -1 N -1

P*(N) = / х( СйХ + Сн)ии.П.2+ 2Ии.п. (W,. ) Х1пер.ср,0 Х/ХД1 ф (11),

i=1 i=1 где Д1ф - фронт передаваемого сигнала. Из приведенного выражения видно, что P^N) увеличивается с ростом числа каскадов логической цепи. Максимальное быстродействие достигает при числе каскадов равное ^пт. Значение ^пт взаимосвязано с Мопт, и уменьшается с увеличением Мопт (1).

Следовательно, для получения цепи обладающей минимальным энергопотреблением при максимальном быстродействии необходимо выбрать минимальное целое значение Nom при котором Мопт не выходит за рамки пологого минимума. Таким образом, для технологий 25090 нм Мопт следует выбирать равным 4...4,2. При этом каскады цепи имеют одинаковый коэффициент нагрузки и выполняется неравенство Мн;_1 < Мн;, что ограничивает долю мощности, связанной со сквозным током на уровне менее 10%.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Моделирование радиационных эффектов в МДП-транзисторах и логических элементах. Анализ усилителей считывания для интегральных ЗУ: Отчет НИР (итоговый)/ Всесоюзный. науч.-техн. информ. центр - Инв.№ Б872098. -М. 1980. -193 с.

2. Разработка схемотехнических принципов улучшения технических характеристик КМДП СБИС ОЗУ. Анализ принципов создания и схемотехники быстродействующих КМДП СБИС ОЗУ: Отчет о НИР (заключительный) / МИФИ - № ГР 0186.0046674. -М 1987. -145 с.

3. Deep-submicron CMOS circuit design Simulator in hands E. Sicard, S.D. Dendhina Brook/Cloe Publishing company, Salt Lake City, Utah 84109, USA 2003

4. A Clock Power Model to Evaluate Impact of Architectural and Technology Optimization / D. Duarte, N, Vijaykrishnan and M. Irwin // IEEE trans. On VLSI -vol.19 №6 2002 -pp. 844-854

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком