Разработка микросхем является одним из приоритетов развития каждой страны, и расширение индустрии разработки микросхем в Китае поможет снизить зависимость моей страны от иностранных микросхем. В предыдущих статьях редактор однажды представил прямое и обратное направление проектирования микросхем и перспективы проектирования микросхем. В этой статье редактор познакомит вас с главой о фактическом проектировании микросхем - оптимизацией и реализацией энергопотребления тактового дерева в конструкции микросхемы RFID.
Обзор 1
UHF RFID - это чип метки радиочастотной идентификации UHF. Микросхема работает в режиме пассивного источника питания: после получения энергии несущей ВЧ интерфейсный модуль генерирует сигнал мощности Vdd для обеспечения работы всего кристалла. Из-за ограничений системы питания микросхема не может генерировать большой ток, поэтому конструкция с низким энергопотреблением стала крупным прорывом в процессе разработки микросхем. Чтобы часть цифровой схемы производила как можно меньшее энергопотребление, в процессе проектирования цифровой логической схемы в дополнение к упрощению структуры системы (простые функции, содержат только модуль кодирования, модуль декодирования, модуль генерации случайных чисел, часы , модуль сброса, блок управления памятью (как и общий модуль управления), в конструкции некоторых схем используется асинхронная схема. В этом процессе мы увидели, что, поскольку дерево часов потребляет большую часть энергии, потребляемой цифровой логикой (около 30% или более), снижение энергопотребления дерева часов также привело к снижению энергопотребления цифровая логика и мощность всего чипа метки. Важный шаг по потреблению.
2 Энергетический состав микросхемы и методы снижения энергопотребления
2.1 Состав потребляемой мощности
Рисунок 1 Состав энергопотребления чипа
Динамическое энергопотребление в основном включает потребляемую мощность при коротком замыкании и энергопотребление при переключении, которые являются основными составляющими энергопотребления данной конструкции. Потребляемая мощность при коротком замыкании - это внутренняя потребляемая мощность, которая вызвана мгновенным коротким замыканием, вызванным включением трубки P и трубки N в определенный момент в устройстве. Энергопотребление при обороте вызвано зарядкой и разрядкой емкости нагрузки на выходе устройства CMOS. Потребляемая мощность утечки в основном включает потребление энергии, вызванное подпороговой утечкой и утечкой затвора.
Сегодня двумя наиболее важными источниками потребления энергии являются: преобразование емкости и допороговая утечка.
2.2 Основные методы снижения энергопотребления
Рисунок 2 Основные методы снижения энергопотребления микросхемы
2.2.1 Уменьшите напряжение питания Vdd
Остров напряжения: разные модули используют разное напряжение питания.
Многоуровневое масштабирование напряжения: в одном модуле имеется несколько источников напряжения. Переключайтесь между этими источниками напряжения в соответствии с различными приложениями.
Динамическое масштабирование частоты напряжения: обновленная версия «многоуровневой регулировки напряжения», которая динамически регулирует напряжение в соответствии с рабочей частотой каждого модуля.
Адаптивное масштабирование напряжения: обновленная версия DVFS, в которой используется схема обратной связи, которая может отслеживать поведение схемы для адаптивной регулировки напряжения.
Подпороговая схема (конструкция более сложная, и она все еще остается в рамках академических исследований)
2.2.2 Уменьшите частоту f и скорость оборота A
Оптимизация кода (извлечение общих факторов, повторное использование ресурсов, изоляция операндов, последовательная работа для снижения пикового энергопотребления и т. Д.)
Закрытые часы
Многоступенчатая стратегия
2.2.3 Уменьшение емкости нагрузки (CL) и размера транзистора (Wmos)
Уменьшите количество последовательных единиц
Площадь чипа и уменьшение окалины
Обновление процесса
2.2.4 Уменьшение тока утечки Ileak
Пороговое напряжение управления (пороговое напряжение) (пороговое напряжение ↑ ток утечки ↓ при использовании MTCMOS, VTCMOS, DTCMOS)
Управление напряжением затвора (напряжение затвора) (путем управления напряжением затвор-исток для управления током утечки)
Пакет транзисторов (соедините резервные транзисторы последовательно, увеличьте сопротивление, чтобы уменьшить ток утечки)
Стробируемый источник питания (Power gaTIng или PSO) (когда модуль не работает, отключите питание, чтобы эффективно снизить ток утечки)
3 Оптимизация энергопотребления тактового дерева в RFID-чипе
При работе микросхемы большая часть потребляемой мощности приходится на оборот тактовой сети. Если сеть часов большая, потери мощности, вызванные этой частью, будут очень большими. Среди многих технологий с низким энергопотреблением стробируемые часы оказывают сильнейшее сдерживающее влияние на энергопотребление переключателя и внутреннее энергопотребление. В этой конструкции сочетание технологии многоуровневых стробированных часов и специальной стратегии оптимизации тактового дерева позволяет сэкономить значительную часть энергопотребления. В этом проекте использовались различные стратегии оптимизации энергопотребления в логическом дизайне, а также опробованы некоторые методы в фоновом синтезе и физическом дизайне. Благодаря нескольким оптимизациям энергопотребления и итерациям в передней и задней частях, был найден дизайн логического кода и минимальное энергопотребление. Комплексный подход.
4.1 Вручную добавить синхронизацию на этапе RTL
Рисунок 3 Принципиальная схема закрытых часов
модуль data_reg (En, Data, clk, out)
вход En, clk;
input [7: 0] Данные;
output [7: 0] out;
всегда @ (posedge clk)
if (En) out = Данные;
endmodule
У этого этапа в основном двоякая цель: во-первых, добавить стробируемый тактовый блок для управления скоростью оборота и более разумного снижения динамического энергопотребления в соответствии с вероятностью смены тактового сигнала каждого модуля. Второй - создать тактовую сеть с максимально сбалансированной структурой. Можно гарантировать, что некоторые буферы тактовых импульсов могут быть добавлены на этапе синтеза внутреннего тактового дерева для снижения энергопотребления. Блок ICG (Integrated Gating) в библиотеке литейных ячеек можно напрямую использовать в фактическом проектировании кода.
4.2 Инструменты на этапе синтеза вставляются в интегрированный вентиль.
Рисунок 4 Вставка стробированных часов во время логического синтеза
# Установить параметры стробирования часов, max_fanout по умолчанию не ограничен
set_clock_gating_style -sequential_cell защелка \
-positive_edge_logic {интегрированный} \
-control_point перед \
-control_signal scan_enable
# Создайте более сбалансированное дерево часов, вставив «всегда включенные» ICG
установить power_cg_all_registers true
установите power_remove_redundant_clock_gates в значение true
read_db design.gtech.db
current_design вверху
ссылке
исходный код design.cstr.tcl
# Вставить стробирование часов
Insert_clock_gating
компилировать
# Создать отчет о вставке стробирования часов
report_lock_gating
Целью этого этапа является использование интегрированного инструмента (DC) для автоматической вставки закрытого блока с целью дальнейшего снижения энергопотребления.
Следует отметить, что настройки параметров для вставки ICG, такие как максимальное разветвление (чем больше разветвление, тем больше экономия энергии, более сбалансировано разветвление, тем меньше перекос, в зависимости от конструкции, как показано на рисунке), и установка параметра minimum_bitwidth. Кроме того, необходимо вставить нормально открытый ICG для более сложных структур управления затвором, чтобы сделать структуру сети тактовой частоты более сбалансированной.
4.3 Оптимизация энергопотребления на этапе синтеза дерева часов
Рис. 5 Сравнение двух структур дерева часов (а): многоуровневый глубинный тип; (б): малоэтажный плоский тип
Сначала представьте влияние всеобъемлющих параметров дерева часов на структуру дерева часов:
Перекос: смещение часов, общая цель дерева часов.
Задержка вставки (задержка): общая задержка пути тактового сигнала, используемая для ограничения увеличения количества уровней дерева тактовых импульсов.
Max taranstion: максимальное время преобразования ограничивает количество буферов, которые могут управляться буфером первого уровня.
Max Capacitance Max Fanout: максимальная емкость нагрузки и максимальное разветвление ограничивают количество буферов, которые могут управляться буфером первого уровня.
Конечная цель синтеза дерева часов в общем дизайне - уменьшить перекос часов. Увеличение числа уровней и уменьшение каждого уровня разветвления приведет к увеличению количества буферов и более точному уравновешиванию задержки каждого тактового тракта, чтобы получить меньший перекос. Но для конструкции с низким энергопотреблением, особенно при низкой тактовой частоте, требования к синхронизации не очень высоки, поэтому есть надежда, что масштаб дерева тактовых импульсов может быть уменьшен для уменьшения энергопотребления динамического переключения, вызванного деревом тактовых импульсов. Как показано на рисунке, уменьшив количество уровней дерева часов и увеличив разветвление, можно эффективно уменьшить размер дерева часов. Однако из-за уменьшения количества буферов дерево часов с меньшим числом уровней, чем многоуровневое дерево часов, просто сбалансирует задержку каждого пути синхронизации и получит больший перекос. Можно видеть, что с целью уменьшения масштаба дерева тактовых импульсов синтез дерева тактовых импульсов с низким энергопотреблением осуществляется за счет увеличения некоторого перекоса.
Специально для этого RFID-чипа мы используем процесс TSMC CMOS LOGIC / MS / RF 0.18 мкм, а тактовая частота составляет всего 1.92 M, что очень мало. В это время, когда часы используются для синтеза дерева часов, низкие часы используются для уменьшения масштаба дерева часов. Синтез дерева тактовых импульсов энергопотребления в основном устанавливает ограничения по перекосу, задержке и переходу. Поскольку ограничение разветвления увеличит количество уровней дерева синхронизации и увеличит потребление энергии, это значение не устанавливается. Значение по умолчанию в библиотеке. На практике мы использовали 9 различных ограничений дерева часов, и ограничения и подробные результаты показаны в таблице 1.
Заключение 5
Как показано в Таблице 1, общая тенденция состоит в том, что чем больше целевой перекос, тем меньше размер конечного дерева тактовых импульсов, меньше количество буферов дерева тактовых импульсов и тем меньше соответствующее динамическое и статическое энергопотребление. Это спасет дерево часов. Цель потребления. Можно видеть, что когда целевой перекос больше 10 нс, потребляемая мощность в основном не изменяется, но большое значение перекоса приведет к ухудшению времени удержания и увеличению количества буферов, вставленных при восстановлении синхронизации, поэтому следует идти на компромисс. Из таблицы предпочтительными решениями являются Стратегия 5 и Стратегия 6. Кроме того, когда выбрана оптимальная настройка перекоса, вы также можете видеть, что чем больше максимальное значение перехода, тем ниже конечное энергопотребление. Это можно понять как чем больше время перехода тактового сигнала, тем меньше требуется энергии. Кроме того, настройка ограничения задержки может быть увеличена в максимально возможной степени, и ее значение мало влияет на конечный результат потребления энергии.
Наш другой продукт:
