Введение к работе
Актуальность работы
Одной из главных задач при проектировании современных интегральных схем становится уменьшение рассеиваемой мощности. Особенно важно решить эту проблему для портативных устройств, работающих от батареи, так как уменьшение рассеиваемой мощности позволит увеличить время работы устройства без дополнительной подзарядки. Кроме того, уменьшение рассеиваемой мощности позволяет снизить стоимость корпусировки и увеличить быстродействие за счет более низких рабочих температур.
Эта проблема актуальна и при проектировании микропроцессоров. Это связано с уменьшением проектных норм, увеличением рабочей частоты, повышением плотности элементов на кристалле вследствие усложнения схемотехнической составляющей.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) в настоящее время включают широкий спектр программных продуктов и методов, нацеленных на снижение потребляемой мощности в проектируемых устройствах. Ведется разработка новых подходов к проектированию систем на кристалле (СнК), новых алгоритмов и программных средств САПР, ориентированных на переход к наноразмерным топологическим нормам. Вместе с тем, актуальной является задача увеличения быстродействия и сохранения площади, занимаемой схемой.
Цель работы
Основной целью работы является исследование и разработка
методов уменьшения мощности при проектировании
энергоэффективных блоков микропроцессорных КМОП СБИС и СнК с учетом их быстродействия и занимаемой площади.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Разработать классификацию блоков микропроцессора по критерию ограничений, накладываемых при проектировании.
2.Исследовать схемотехнические методы уменьшения рассеиваемой мощности и их влияние на быстродействие и занимаемую площадь устройств.
3.Разработать методики и алгоритмы поиска эффективного метода или комбинации методов с учетом поставленных ограничений по быстродействию и площади.
4.Применить разработанные методики на блоках микропроцессора на различных проектных нормах.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
1.Предложен новый подход к проектированию
энергоэффективных СнК, основанный на предварительной групповой классификации блоков, входящих в ее состав, по критериям ограничения по быстродействию и занимаемой площади.
2.Установлены механизмы влияния схемотехнических методов уменьшения мощности на быстродействие и площадь проектируемых блоков микропроцессоров.
-
Показано, что одновременное использование методов стробирования синхросигнала, введения изоляционных элементов, оптимизации набора элементов и их подключения не обеспечивает гарантированного требуемого сочетания параметров быстродействия и площади.
-
Предложены методики и алгоритмы поиска эффективной комбинации методов для определенных ограничений по быстродействию и занимаемой площади для различных проектных норм.
Практическая значимость работы.
1) Предложенный подход к проектированию микропроцессоров,
заключающийся в предварительной групповой классификации их
блоков с точки зрения установленных критериев критичности по
быстродействию и площади перед этапом логического синтеза, и
дальнейшем применении методик поиска эффективных комбинаций
известных схемотехнических методов уменьшения мощности, применен
при разработке микропроцессоров компании ОАО НПЦ «ЭЛВИС».
Используемые методики позволили уменьшить рассеиваемую
динамическую мощность блоков микропроцессоров 1892КП1Я и
1892ВМ8Я на 20% с сохранением значений быстродействия и
занимаемой площади.
2) Разработанные маршруты проектирования и алгоритмы
использованы при выполнении НИР в рамках ФЦП НПК 2009-2013 на
кафедре ИЭМС Национального исследовательского университета
«МИЭТ»:
- «Разработка методов проектирования быстродействующей
элементной базы и систем на кристалле с низкой потребляемой
мощностью для перспективных устройств приемо/передачи аналоговой
и цифровой информации», шифр «И-2009-1.1-219-005-009».
«Исследование методов проектирования наноразмерной электронной компонентной базы на основе параметризованных библиотечных элементов с ультранизкой потребляемой мощностью», НИР «ИМПУЛЬС».
3). Предложенные методики проектирования использованы при модернизации учебных дисциплин по программам магистерской подготовки «Проектирование СБИС с топологическими нормами 90нм» и «Проектирование и технология устройств интегральной наноэлектроники» по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника» кафедры ИЭМС Национального Исследовательского Университета «МИЭТ»:
- «Проектирование блоков цифровых наноразмерных СБИС».
- «Энергоэффективное проектирование наноэлектронных ИС
средствами САПР Cadence и Synopsys».
- «Особенности логического синтеза цифровых наноэлектронных
блоков».
На защиту выносятся положения.
1). Предложенный подход к проектированию энергоэффективных СнК, основанный на предварительной групповой классификации блоков, входящих в ее состав, по критериям ограничения по быстродействию и занимаемой площади.
2). Разработанные методики и алгоритмы поиска эффективной комбинации методов для определенных ограничений по быстродействию и занимаемой площади для различных проектных норм.
3). Результаты апробации методик на блоке контроллера порта внешней памяти микропроцессора на проектных нормах 250, 130, 90 нм.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и демонстрировались на следующих научно-технических конференциях: VII конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, 2010г.; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», МГИЭТ(ТУ), 2010г.;
Международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», МЭИ(ТУ), 2010г.; конференция «Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы», МГИЭТ(ТУ), 2010г.; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», МГИЭТ(ТУ), 2011г.; Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», МГИЭТ(ТУ), 2012г; V Всероссийская научно-техническая конференция "Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем",2012г..
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 работ, включая 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 6 - в сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и одного приложения. Объем работы составляет 120 страниц, работа содержит 52 рисунка, 4 таблицы, список цитируемых источников из 101 наименования, приложения занимают 2 стр.
