МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 3, с. 233-239
СХЕМОТЕХНИКА
УДК: 621.382
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В АСИМПТОТИЧЕСКИ АДИАБАТИЧЕСКИХ ВЕНТИЛЯХ
СТАТИЧЕСКОГО ТИПА
© 2004 г. В. В. Лосев, В. И. Старосельский
Московский государственный институт электронной техники Поступила в редакцию 14.04.2003 г.
Методом компьютерного моделирования установлены закономерности энергопотребления в асимптотически адиабатических вентилях статического типа 1п-1р. Исследовано возрастание энергетических потерь при нарушении каждого из условий термодинамической обратимости. Полученные энергетические характеристики сравниваются с характеристиками квазиадиабатических вентилей 2п-2п2р и БСЯЬ.
Актуальной проблемой современной микроэлектроники является снижение энергопотребления цифровых устройств обработки информации. Радикальный метод ее решения состоит в использовании принципа термодинамической обратимости [1-3]. Его реализация достигается применением управляемого источника питания. На этапе повышения питающего напряжения вентиль выполняет логические операции (производит информацию), потребляя энергию. На этапе снижения напряжения до нуля энергия (стирание информации), накопленная в реактивных элементах, возвращается в источник питания.
Практически возможно создание только асимптотически адиабатической электронной логики, в которой произвольно малое энергопотребление достигается за счет снижения скорости производства информации. В работе [4] показано, что для этого должны быть выполнены следующие условия.
1. Вентили должны иметь 3 логических состояния: 0, 1 и свободное состояние К, соответствующее минимальной энергии выходного сигнала.
2. Входная информация должна устанавливаться в свободном состоянии К.
3. Входная информация должна сохраняться в течение всего цикла логической операции, включающего этап производства информации и этап извлечения в источник питания накопленной вентилем энергии.
4. При отпирании активных элементов (транзисторов) должны соединяться только эквипотенциальные узлы.
5. Внутри вентиля и между вентилями не должно быть цепей положительной обратной связи с коэффициентом, большим критического.
Очевидным требованием является также отсутствие энергопотребления в статическом состоянии. Практический предел снижения энерго-
потребления устанавливается неизбежными токами утечки.
Согласно принятым представлениям [1, 5, 6] энергетические потери обратно пропорциональны длительности T этапов повышения и снижения питающего напряжения:
W ~ T \ (1)
Наиболее исследованы квазиадиабатические вентили, в которых условия термодинамической обратимости выполнены лишь частично. Обзор и классификация квазиадиабатических вентилей содержатся в работе [7]. Максимальное сокращение энергопотребления достигается в квазиадиабатических вентилях 2n-2n2p [8] и ECRL (Efficient Charge Recovery Logic) [9] на основе КМДП-тран-зисторов. В этих вентилях наличие трех логических состояний обеспечивается одновременным использованием прямых и инверсных логических сигналов, но нарушены условия адиабатичности 3-5 и (частично) условие 2 (входная информация не сохраняется на этапе дезактивации). В результате минимально возможные энергетические потери за цикл смены логических состояний составляют [7]
Wmin = CV2t, (2)
где
V, = Vm = -Vtp > 0
- абсолютные величины пороговых напряжений n- и p-канальных транзисторов, C - суммарная емкость вентиля. Закономерности энергопотребления в этих типах квазиадиабатической логики исследованы в работе [10]. Установлено, что в области рабочих частот (W > Wmin) зависимость
+ ^/2 0
0
- Ула/2
Ф1
ф2
(а)
+ф
ЛОСЕВ, СТАРОСЕЛЬСКИИ Ф (•)
+ ф1 + Ф2
У
ТГ Т
-Ф
-Ф1 -Ф2
(в)
Цикл логической операции Тс
АТ1= ДТ
АТ3 = АТ
+Ф;
- Ф;
+Ф,
1
F4
- Ф«
Т1 = Т Тъ Тз = Т
Т4
Тщ = Т
Рис. 1. Адиабатическая логика с расщепленным питанием на КМДП вентилях 1п-1р: (а) - инвертор 1п-1р; (б) - цепь логических вентилей; (в) - временная диаграмма импульсов питания.
Ф
Ф
п
энергопотребления от времени изменения питающих напряжений подчиняется закону
W( Т, С)~ гаС1 + а, (3)
где а ~ 3/4. Показано, что отличие параметра а от теоретически достижимого значения а = 1 обусловлено нелинейностью сопротивления открытых транзисторов, через которые перезаряжаются емкости вентиля.
В данной работе анализируются энергетические характеристики асимптотически адиабатических вентилей 1п-1р, схемная конфигурация которых идентична обычным КПМД вентилям статического типа [5] (рис. 1а). В этих вентилях наличие трех логических состояний (условие 1) обеспечивается использованием "расщепленного" питания (рис. 1а): состояния 0, 1 и К соответствуют положительно-
му, отрицательному и нулевому уровням выходного напряжения (в свободном состоянии К Ф = 0). Установка входной информации в свободном состоянии и сохранение информации в течение всего цикла (условия 2, 3) достигаются использованием коллапсирующих импульсов питания (рис. 1в).
Вентиль 1п-1р интересен также тем, что на его примере можно проследить возрастание энергетических потерь при нарушении каждого из условий 1-5 термодинамической обратимости. Полученные энергетические характеристики сравниваются с характеристиками квазиадиабатических вентилей 2п-2п2р и БСЯЬ.
Исследования проведены методом компьютерного моделирования.
На рис. 16 показана цепь логических вентилей. Практически в сложном устройстве, содержащем
Таблица 1. Параметры МДЦ-транзисторов, принятые при компьютерном моделировании
Параметр Значение
«-канал р-канал
Пороговое напряжение Vг +0.2 B -0.2 В
Длина канала Ь 2 мкм 2 мкм
Ширина канала Ш 15 мкм 15 мкм
Длина областей перекрытия затвор-исток, затвор-сток Ьх 0.2 мкм 0.2 мкм
Длина п+-областей стока 5 мкм 5 мкм
Толщина подзатворного диэлектрика (8Ю2)^ 0.05 мкм 0.05 мкм
Концентрация примеси в подложке Ыв 1016 см-3 1016 см-3
Подвижность носителей в канале ц 600 см2/В • c 300 см2/В • c
в™ = цгаг0/Ы 0.18 А/В2см 0.09 А/В2см
Емкости затвор-исток, сток С^, С^ 0.8 фФ/мкм 0.8 фФ/мкм
Емкости подложка-исток, сток СЬ5, = Vbd = 0) 2 фФ/мкм 2 фФ/мкм
разветвленные логические цепи, вентили должны быть сгруппированы в блоки, каждый из которых подключен к определенной фазе питания фг, соответствующей логической структуре устройства.
Цикл логической операции Тс включает 4 этапа (рис. 1в). На этапе активации 1 длительностью Т1 питающее напряжение фг изменяется от 0 до ±Ула/2, и вентили г-го блока производят информацию, формируя на выходах сигналы Уг0 = -УЛ(/2, Уг1 = +У^/2. При этом энергия на заряд емкостей С потребляется из г-го источника питания. Произведенная информация сохраняется в течение этапа хранения 2 длительностью Т2г, когда напряжение фг поддерживается постоянным. Во время этапа дезактивации 3 длительностью Т3 питающее напряжение ф, возвращается к нулевому уровню, и накопленная в емкостях энергия возвращается в источник питания. На этапе паузы 4 длительностью Т4г вентиль находится в свободном состоянии Я. Таким образом, при Т1 = Т3 = Т длительность цикла составляет
Тс = 2Т + Т21 + Т41 (рис. 1в).
Сохранение входной информации в течение всего цикла логической операции (условие 3) обеспечивается условием
5 = (Т21 - Тъ)/2Т = АТ/Т > 1, (4)
где АТ - задержка между началом этапов активации г + 1-го и г-го вентилей и началом этапов дезактивации г-го и г + 1-го вентилей (рис. 1в). Условие (4) означает необходимость полного перекрытия цикла логической операции г + 1-го блока этапом хранения г-го блока.
Энергетические характеристики асимптотически адиабатических вентилей исследовались методом компьютерного моделирования с использованием программы схемотехнического моделирования
Spectre в САПР CADENCE и моделей МДП-транзи-сторов 1-го уровня. Параметры транзисторных структур приведены в таблице 1.
Анализировались процессы в цепи из 4-х инверторов (n = 4) при дополнительных нагрузочных емкостях CL, имитирующих емкости линий связи. Расщепленные тактовые импульсы имели форму трапеции с амплитудой Vdd = 3 В, переменными длительностями фронта и среза T и длительностью вершины последнего импульса T2n = T (рис. 1в).
Измерялась энергия
W = I Ф(t>7<(t>dt'
4Тс
рассеянная в г-м вентиле при циклическом переключении 1-1-0-0, где I - ток, потребляемый г-м вентилем от фазы питания ф
На рис. 2 кривыми 1-1а,б представлены зависимости W(T) для нагрузочных емкостей Сь = 20 (а) и 200 фФ (б) для случая 5 = 1, когда форма импульсов питания соответствует рис. 3 а. Рабочая область ограничена диапазоном 5нс < Т < 500 нс; при Т > 10 мкс основной вклад в энергопотребление вносят токи утечки. В рабочем диапазоне зависимости W(T) хорошо подчиняются закономерности
W (T) ~ Tа
(5)
где а = 0.90... 0.95. Таким образом, параметр а близок к теоретически достижимому значению а = 1. Этот факт объясняется слабым изменением напряжения затвор-исток открытого транзистора на этапах активации и дезактивации
Vdd/2 <
VJ < Vdd,
W, пДж
Рис. 2. Зависимость энергии, рассеянной в вентилях 1п-1р за цикл 1-1-0-0, от длительности этапов активации и дезактивации Т: I - расщепленное питание, II - 1-полярное питание; 1 - 5 = 1, 2 - 5 = 0; (а) - Сь = 20 фФ, (б) - Сь = 200 фФ.
в результате чего нелинейность его сопротивления мала.
Скорость производства информации может быть повышена за счет уменьшения степени перекрытия фаз активации - дезактивации соседних вентилей (т.е. параметра 8 = AT/T). Кривые 1а,б на рис. 4 показывают, как возрастают энергетичес-
(а)
(б)
фп_-
Фп
Фи -
фп -1
фп -
Рис. 3. Форма импульсов фп _ 1 и фп для расщепленного (а), (б) и 1-полярного (б), (в) питания: (а), (в) - 5 = 1, (б), (г) - 5 = 0.
кие потери при уменьшении параметра 5 для Т = = 100 нс. При 5 > 0.7 зависимость W(5) незначительна и хорошо описывается соотношением
W(8)/W(1) = 1 + (1- 8)/2.
(6)
На рис. 5 показаны временные диаграммы напряжений питания / - 1-го и /-го вентилей, а также напряжения затвор-исток У^ открытого транзистора в /-м вентиле на этапе его активации
\Vgs( t )| = |Ф, -1 (t )| + |Ф. (t )| =
J8/2 +1 / T, t/T < 1- 8;
= V.
(7)
dd[ 1/2 + t/2T, t/ T > 1- 8.
В течение этого этапа напряже
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.