Kiibidisain on iga riigi üks arenguprioriteete ja Hiina kiibidisaini tööstuse laiendamine aitab vähendada minu riigi sõltuvust välismaa kiipidest. Eelmistes artiklites tutvustas toimetaja kord kiibi kujunduse edasisuunas ja tagasikäiku ning kiibi kujundamise väljavaateid. Selles artiklis tutvustab redaktor teile kiibi kujundamise tegelikku peatükki - kellapuu energiatarbimise optimeerimine ja realiseerimine RFID-kiibi kujunduses.
1 ülevaade
UHF RFID on UHF raadiosageduse identifitseerimise sildikiip. Kiip võtab kasutusele passiivse toiteallika režiimi: pärast kandjaenergia saamist genereerib raadiosageduse esiosa Vdd-toitesignaali kogu kiibi töötamiseks. Toiteallikasüsteemi piirangute tõttu ei saa kiip genereerida suurt voolu ajamit, seega on väikese energiatarbega disain saanud kiibi arendamise protsessis olulise läbimurde. Et digitaalse vooluahela osa toota võimalikult vähe energiatarvet, lisaks digitaalse loogika vooluahela kujundamise protsessile lisaks süsteemistruktuuri lihtsustamisele (lihtsad funktsioonid sisaldavad ainult kodeerimismoodulit, dekodeerimismoodulit, juhuslike arvude genereerimise moodulit, , lähtestusmoodul, mälujuhtimisseade Nagu ka üldine juhtmoodul), võetakse asünkroonse vooluahela disain üle mõnede vooluahelate kujundamisel. Selles protsessis nägime, et kuna kellapuu kulutab suure osa digitaalse loogika energiatarbimisest (umbes 30% või rohkem), on kellapuu energiatarbimise vähendamine muutunud ka digitaalne loogika ja kogu sildikiibi võimsus. Oluline samm tarbimiseks.
2 Kiibi võimsuse koostis ja meetodid energiatarbimise vähendamiseks
2.1 Energiatarbimise koostis
Joonis 1 Kiibi energiatarbimise koostis
Dünaamiline voolutarve hõlmab peamiselt lühise energiatarbimist ja pööratavat energiatarbimist, mis on selle disaini energiatarbimise peamised komponendid. Lühise voolutarve on sisemine voolutarve, mille põhjustab hetkeline lühis, mille põhjustab P-toru ja N-toru seadme teatud hetkel sisselülitamine. Käibe energiatarbimine on põhjustatud CMOS-seadme väljundis oleva koormusmahtuvuse laadimisest ja tühjenemisest. Lekke energiatarbimine hõlmab peamiselt voolutarbimist, mis on põhjustatud läviväärtusest lekke ja värava lekkimisest.
Täna on kaks kõige olulisemat energiatarbimise allikat: mahtuvuse teisendamine ja läviväärtusest madalam leke.
2.2 Peamised meetodid energiatarbimise vähendamiseks
Joonis 2 Peamised meetodid kiibi energiatarbimise vähendamiseks
2.2.1 Vähendage toiteallika pinget Vdd
Pinge saar: erinevad moodulid kasutavad erinevat toiteallika pinget.
MulTI-tasemel pinge skaleerimine: samas moodulis on mitu pingeallikat. Nende pingeallikate vahel saate vahetada vastavalt erinevatele rakendustele.
Dünaamiline pingesageduse skaleerimine: "mitmetasandilise pinge reguleerimise" täiendatud versioon, mis reguleerib dünaamiliselt pinget vastavalt iga mooduli töösagedusele.
AdapTIve Voltage Scaling: DVFS-i täiendatud versioon, mis kasutab tagasisideahelat, mis saab jälgida vooluahela käitumist, et pinget adaptiivselt reguleerida.
Alampiirilülitus (disain on keerulisem ja see jääb ikkagi akadeemiliste uuringute ulatusse)
2.2.2 Vähendage sagedust f ja käibekiirust A
Koodi optimeerimine (levinud tegurite väljavõtmine, ressursside taaskasutus, operandi isolaat, seeriatöö tipptarbimise vähendamiseks jne)
Väravaga kell
Mitmekella strateegia
2.2.3 Vähendage koormuse mahtuvust (CL) ja transistori suurust (Wmos)
Vähendage järjestikuseid ühikuid
Kiibi pindala ja skaala vähendamine
Protsessi täiendamine
2.2.4 Vähendage lekkevoolu Ileak
Juhtpinge (künnispinge) (künnispinge ↑ lekkevool ↓ MTCMOS, VTCMOS, DTCMOS kasutamisel)
Kontrollige värava pinget (värava pinget) (lekkevoolu juhtimiseks värava allika pinget reguleerides)
Transistori virn (ühendage üleliigsed transistorid järjestikku, suurendage takistust lekkevoolu vähendamiseks)
Väravaga toiteallikas (toitejuhtimine või PSO) (kui moodul ei tööta, lülitage lekkevoolu tõhusaks vähendamiseks toide välja)
3 Kellapuu energiatarbimise optimeerimine RFID-kiibis
Kui kiip töötab, tuleneb suur osa energiatarvest kellavõrgu käibest. Kui kellavõrk on suur, on selle osa põhjustatud voolukadu väga suur. Paljude vähese energiatarbega tehnoloogiate seas on väravaga kell kõige tugevam piirav mõju klapi energiatarbimisele ja sisemisele energiatarbimisele. Selles disainis säästavad suure osa energiatarbimisest kombinatsioon mitmetasandilise väravaga kella tehnoloogiast ja spetsiaalsest kellapuu optimeerimisstrateegiast. Selles projektis kasutati loogikakujunduses erinevaid energiatarbimise optimeerimisstrateegiaid ja prooviti mõningaid meetodeid taustsünteesis ja füüsilises kujunduses. Mitme võimsuse optimeerimise ja esi- ja tagakülje korduste abil leiti loogikakood ja minimaalne energiatarve. Integreeritud lähenemine.
4.1 Lisage kellavärav käsitsi RTL-etapis
Joonis 3 Väravaga kella skeem
moodul data_reg (En, Data, clk, out)
sisend En, clk;
sisend [7: 0] Andmed;
väljund [7: 0] välja;
alati @ (posedge clk)
if (En) out = Andmed;
endmoodul
Selle etapi eesmärk on peamiselt kahene: esimene on lisada väravaga kellaüksus, et juhtida käibekiirust ja vähendada dünaamilist energiatarbimist mõistlikumalt vastavalt iga mooduli kellakäibe tõenäosusele. Teine on võimalikult tasakaalustatud struktuuriga kellavõrgu tootmine. Võib garanteerida, et energiatarve vähendamiseks saab taustakellapuu sünteesietapis lisada mõned kellapuhvrid. Valukärude raamatukogu ICG (Integrated Gating) seadet saab otse kasutada tegelikus koodikujunduses.
4.2 Sünteesifaasi tööriistad sisestatakse integreeritud väravasse
Joonis 4 Väravatud kella sisestamine loogilise sünteesi ajal
#Määra kella värava valikud, max_fanout vaikimisi on piiramatu
set_clock_gating_style -sequential_cell riiv \
-positive_edge_logic {integreeritud} \
-kontrollipunkt enne \
-control_signal scan_enable
# Looge tasakaalustatum kellapuu, lisades alati lubatud ICG-d
määrake power_cg_all_registers tõeseks
seadke power_remove_redundant_clock_gates tõeseks
read_db disain.gtech.db
praeguse_kujunduse top
link
allika kujundus.cstr.tcl
#Sisestage kella värav
lisakella_väramine
kompileerima
#Generate aruande kella värava sisestamise kohta
report_clock_gating
Selle etapi eesmärk on kasutada integreeritud tööriista (DC) väravasüsteemi automaatseks sisestamiseks, et veelgi vähendada energiatarbimist.
Tuleb märkida, et ICG sisestamise parameetrite sätted, näiteks maksimaalne väljatõmbamine (mida suurem on ventilaator, seda rohkem energiasäästu, seda tasakaalustatum on ventilaator, seda väiksem on vilt, sõltuvalt disainist, nagu joonisel näidatud), ja parameetri minimaalse_laiuse laius. Lisaks on keerukate värava juhtimisstruktuuride jaoks vaja sisestada tavaliselt avatud ICG, et muuta kellavõrgu struktuur tasakaalustatumaks.
4.3 Energiatarbimise optimeerimine kellapuu sünteesietapis
Joonis 5 Kahe kellapuu struktuuri (a) võrdlus: mitmetasandiline sügavustüüp; b): vähetasandiline tasane tüüp
Esmalt tutvustage kellapuu terviklike parameetrite mõju kellapuu struktuurile:
Vilt: kella viltu, kellapuu üldeesmärk.
Lisamise viivitus (latentsus): kellatee kogu viivitus, mida kasutatakse kellapuu tasemete arvu kasvu piiramiseks.
Maksimaalne taranstion: maksimaalne teisendusaeg piirab esimese taseme puhvriga juhitavate puhvrite arvu.
Max Capacitance Max Fanout: maksimaalne koormusmaht ja maksimaalne ventilaator piiravad esimese taseme puhvriga juhitavate puhvrite arvu.
Kellapuu sünteesi lõplik eesmärk üldises kujunduses on vähendada kella viltust. Tasemete arvu suurendamine ja iga väljatõmbamise taseme vähendamine investeerib rohkem puhvreid ja tasakaalustab täpsemini iga kella tee latentsust väiksema kalde saamiseks. Kuid väikese energiatarbega projekteerimisel, eriti kui taktsagedus on madal, ei ole ajastamisnõuded eriti suured, mistõttu on loota, et kellapuu skaalat saab vähendada, et vähendada kellapuust tingitud dünaamilist lülitusvõimsuse tarbimist. Nagu joonisel näidatud, saab kellapuu tasemete arvu vähendamise ja fanouti suurendamise abil kella puu suurust tõhusalt vähendada. Kuid puhvrite arvu vähenemise tõttu on kellapuu, millel on väiksem tasemete arv kui mitmetasandilisel kellapuul, tasakaalustage lihtsalt umbes iga kellatee latentsus ja saate suurema viltuse. On näha, et kellapuu skaala vähendamise eesmärgil on väikese võimsusega kellapuu süntees teatud viltuse suurendamise arvelt.
Täpsemalt selle RFID-kiibi jaoks kasutame TSMC 0.18um CMOS LOGIC / MS / RF protsessi ja taktsagedus on ainult 1.92M, mis on väga madal. Sel ajal, kui kella kasutatakse kellapuu sünteesiks, kasutatakse kellapuu skaala vähendamiseks madalat kella. Elektritarbimise kellapuu süntees seab peamiselt viltu, latentsuse ja transiidi piirangud. Kuna fanouti piiramine suurendab kella puu tasemete arvu ja suurendab energiatarvet, pole seda väärtust määratud. Vaikeväärtus teegis. Praktikas oleme kasutanud 9 erinevat kellapuu piirangut ning piirangud ja põhjalikud tulemused on toodud tabelis 1.
5i kokkuvõte
Nagu on näidatud tabelis 1, on üldine suundumus see, et mida suurem on sihtkaldus, seda väiksem on lõplik kellapuu suurus, seda väiksem on kellapuupuhvrite arv ja seda väiksem on vastav dünaamiline ja staatiline energiatarve. See säästab kellapuu. Tarbimise eesmärk. On näha, et kui sihttaseme kalduvus on suurem kui 10ns, siis energiatarve põhimõtteliselt ei muutu, kuid suur viltuväärtus halvendab kinnihoidmise ajastust ja suurendab ajastuse parandamisel sisestatud puhvrite arvu, nii et tuleks teha kompromiss. Diagrammilt on eelistatud lahendused strateegia 5 ja strateegia 6. Lisaks näete optimaalse viltuse sätte valimisel ka seda, et mida suurem on Max ülemineku väärtus, seda väiksem on lõplik voolutarve. Seda võib mõista kui pikemat kellasignaali üleminekuaega, seda väiksem on vajalik energia. Lisaks saab latentsuspiirangu seadistust nii palju kui võimalik suurendada ja selle väärtus ei mõjuta eriti energiatarbimise lõpptulemust.
Meie teise tootega:
