توان

توان

اسلاید 1: فصل پنجم : توان 1

اسلاید 2: فصل پنجم: توانارائه دهنده: فیروز همتیاستاد راهنما: آقای دکتر نجفی اقدمدانشگاه صنعتی سهند تبریزبهار 94فصل پنجم : توان 2

اسلاید 3: رئوس مطالبمقدمهتوان پویاتوان ایستابهینه سازی تاخیر- انرژیمعماری های توان پایینفصل پنجم : توان 3

اسلاید 4: مقدمه: تعاریفتوان از یک منبع ولتاژ متصل به پایه (یا پایه های) VDD کشیده می شود.توان لحظه ای:انرژی:توان متوسط:واحد توان: وات (W) واحد انرژی: ژول (J) یا توان-ساعتفصل پنجم : توان 4

اسلاید 5: فصل پنجم : توان 5توان در المان های مداری

اسلاید 6: فصل پنجم : توان 6شارژ خازن 

اسلاید 7: فصل پنجم : توان 7شکل موج های سوئیچینگ وارونگرمثال: VDD = 1.0 V , CL = 150 fF , f = 1 GHz

اسلاید 8: فصل پنجم : توان 8شکل موج های سوئیچینگ وارونگرمثال: VDD = 1.8 V , CL = 150 fF , f = 1 MHz tech:180nm

اسلاید 9: توان سوئیچینگ فصل پنجم : توان 9

اسلاید 10: فصل پنجم : توان 10ضریب فعالیت 

اسلاید 11: عوامل مصرف توانفصل پنجم : توان 11توان توان پویاتوان ایستا1- شارژ و دشارژ خازن در سوئیچ2- جریان اتصال کوتاه1- ناشی از جریان زیر آستانه 2- جریان نشتی گیت3- جریان نشتی پیوند سورس(درین)-بدنه4- جریان کشیده شده در حالت رقابت در مدارات نسبتی*×: Ratioed circuits

اسلاید 12: فصل پنجم : توان 12عوامل مصرف توانPtotal = Pdynamic + Pstaticتوان پویا: Pdynamic = Pswitching + Pshortcircuitسوئیچینگ خازن بارجریان اتصال کوتاهتوان ایستا: Pstatic = (Isub + Igate + Ijunct + Icontention)VDDجریان نشتی زیر آستانهجریان نشتی گیتجریان نشتی پیوندها با بدنهجریان نشتی رقابتی

اسلاید 13: فصل پنجم : توان 13توان پویا: مثالتراشه دیجیبتالی با یک میلیارد ترانزیستور50 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در گیت های منطقیعرض متوسط ترانزیستورها: 12 l ضریب فعالیت گیت های منطقی: 0.1 950 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در آرایه حافظهعرض متوسط ترانزیستورها: 4 lضریب فعالیت: 0.02منبع ولتاژ: 1 ولتی تکنولوژی: 65 نانومتری طول کانال: 50 nm l = 25خازن گیت=1 fF/mm خازن نفوذ=0.8 fF/mm سوال: توان سوئیچینگ در فرکانس کاری 1 گیگا هرتزی؟از خازن سیم و جریان اتصال کوتاه صرف نظر کنید.

اسلاید 14: فصل پنجم : توان 14پاسخ:

اسلاید 15: فصل پنجم : توان 15کاهش توان دینامیک تلاش برای کاهش:ضریب فعالیتخازنمنبع ولتاژفرکانس کار

اسلاید 16: فصل پنجم : توان 16تخمین ضریب فعالیت Pi = 1-Pi ai = Pi * Pi داده های کاملا تصادفی دارای P = 0.5 و در نتیجه a = 0.25اغلب داده ها کاملا تصادفی نیستند.برای مثال بیت های ارزش بالای یک عدد 64 بیتی که نشان دهنده مقدار پول موجود در حساب بانکی شماست در بیشتر موارد صفر می باشند.گیت های ANDها و ORها دارای ضریب فعالیت کمتری هستند.بستگی به طراحی دارد اما حدوداً: a ≈ 0.1

اسلاید 17: فصل پنجم : توان 17تخمین ضریب فعالیتاحتمال خروجی گیت های مختلف بر اساس تابعی از احتمال ورودی

اسلاید 18: فصل پنجم : توان 18مثالگیت AND 4 ورودی ساخاتار درختی و ساختار زنجیره ایضریب فعالیت هر گره مدار را با فرض احتمال ورودی ها برابر 0.5 بدست آورید؟

اسلاید 19: فصل پنجم : توان 19گیت کردن کلاکبهترین روش برای کاهش ضریب فعالیت: خاموش کردن بلوک های بیکار با قطع کلاکضریب فعالیت برای کلاک (a = 1)نیاز به برنامه ریزی داریم اگر بلوک هایی مورد استفاده باشد.

اسلاید 20: فصل پنجم : توان 20گلیچ هاگلیچ ها عامل مصرف توان اضافی سیستم11010111

اسلاید 21: فصل پنجم : توان 21خازنخازن گیت انتخاب طبقه های کمترترانزیستور های با اندازه کوچکترخازن سیمکنار هم قرار دادن واحد هایی که اطلاعات زیادی با هم رد و بدل می کنند. استفاده از وارونگرها و بافر ها بجای گیت های پیچیده برای درایو کردن سیم های طولانی برای کاهش مصرف انرژیافزایش تاخیر

اسلاید 22: فصل پنجم : توان 22تعیین اندازه گیت هاکاهش مصرف انرژی باعث افزایش تاخیرهدف: مصالحه بین مصرف انرژی و مقدار تاخیر 

اسلاید 23: فصل پنجم : توان 23تعیین اندازه گیت هاراه حل:

اسلاید 24: فصل پنجم : توان 24ولتاژتقسیم بندی تراشه به چندین حوزه ولتاژیکار در حالت اشباع سرعتکاهش مقدار ولتاژ منبع تغذیهاحتمال کاهش کارایی مدار کمکاهش ولتاژ و فرکانس کاری مدار با یک نسبتکاهش توان مصرفی با توان سوم

اسلاید 25: فصل پنجم : توان 25حوزه های ولتاژ

اسلاید 26: فصل پنجم : توان 26تغییر مقیاس پویای ولتاژ (DVS)

اسلاید 27: فصل پنجم : توان 27فرکانسیک تراشه نباید سریع تر از آنچه مورد نیاز است اجرا شود.کاهش اندازه ترانزیستورهاکاهش فرکانسکاهش ولتاژ منبع تغذیهتوان مهمتر از مساحتاستفاده از توازی کاهش بیشتر فرکانسمعمولا واسط گذرگاه ریزپردازنده کندتر از هسته مرکزیاستفاده از چندین فرکانس کاری

اسلاید 28: فصل پنجم : توان 28جریان اتصال کوتاههنگامی که هر دو شبکه بالابر و پایین بر بصورت جزئی روشن هستند.مقدارش کمتر از 10 درصد توان کل می باشد.از اثر این قسمت صرف نظر میکنیم.Accurate Evaluation of CMOS Short-Circuit Power Dissipation for Short-Channel Devices- Patras & Thessaloniki, GREECEOn Short Circuit Power Estimation of CMOS Inverters- wang&vrudhula-Arizona

اسلاید 29: فصل پنجم : توان 29مدارهای تشدید شده×انتقال انرژی مابین عناصر ذخیره کننده برای جلوگیری از خالی شدن انرژی به زمینمفید برای مدارات فرکانس ثابت مانند کلاک هانقش درایو کننده: جبران تلفات مقاومتیعیوب: 1- بازه محدود فرکانس های کاری 2- دشواری ساخت یک سلف با کیفیت بالا 3 – خروجی سینوسی کلاک× Resonant

اسلاید 30: فصل پنجم : توان 30توان ایستاتوان مصرف شده زمانی که تراشه تغییر حالت ندهدPstatic = (Isub + Igate + Ijunct + Icontention)VDDجایگزینی فرآیند CMOS بجای فرآیند nMOSجریان رقابتی صفر در فرآیند CMOSمنابع نشت: :I1اتصال PN بایاس معکوس :I2نشتی زیرآستانه I3: تونلینگ گیتI4 : تزریق حامل های گرمI5 : نشتی از طریق القاء گیت- درین(GIDL)

اسلاید 31: فصل پنجم : توان 31جریان نشتی زیر آستانهاگر: Vds > 50 mVIoff جریان زیرآستانه در Vgs = 0, Vds = VDDشیب زیرآستانه : SضریبDIBL×: h ضریب اثر بدنه : kgمقادیر نوعی در تکنولوژی 65 nmIoff = 100 nA/mm @ Vt = 0.3 VIoff = 10 nA/mm @ Vt = 0.4 VIoff = 1 nA/mm @ Vt = 0.5 Vh = 0.1kg = 0.1S = 100 mV/decade× drain-induced barrier lowering

اسلاید 32: فصل پنجم : توان 32اثر پشته ای ×سری شدن چندین ترانزیستور کاهش جریان نشتی زیرآستانهVx > 0, بس N2 ,Vgsمنفی است2 ترانزیستور سری : 10 برابر کاهش جریان زیر آستانهبرای ترانزیستورهای سری بیشتر کاهش جریان زیر آستانه بیشتر می شود.× Stack Effect

اسلاید 33: فصل پنجم : توان 33جریان نشتی گیت 

اسلاید 34: فصل پنجم : توان 34مثالی از جریان نشتی گیت در NANDتکنولوژی 100 nm Ign = 6.3 nA Igp = 0Ioffn = 5.63 nAIoffp = 9.3 nAData from [Lee03]

اسلاید 35: فصل پنجم : توان 35جریان نشتی پیوندی 

اسلاید 36: فصل پنجم : توان 36تخمین توان ایستا - مثالسوال: برآورد توان ایستا برای تراشه ای با یک میلیارد ترانزیستور؟50 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در گیت های منطقی - عرض متوسط ترانزیستورها: 12 l 950 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در آرایه حافظه- عرض متوسط ترانزیستورها: 4 l منبع ولتاژ: 1 ولتی تکنولوژی: 65 نانومتری طول کانال: 50 nm l = 25جریان نشتی زیرآستانهVt نرمال 100 nA/mmVt بزرگ 10 nA/mmتمام ترانزیستور های حافظه و 95 درصد ترانزیستورهای منطقی با ولتاژ آستانه بالا کار می کنند.(مابقی با Vt نرمال کار می کنند)جریان نشتی گیت5 nA/mmجریان نشتی پیوند قابل اغماض

اسلاید 37: فصل پنجم : توان 37پاسخ

اسلاید 38: فصل پنجم : توان 38گیت کردن توانآسان ترین راه کاهش مصرف توان:قطع منبع تغذیه در بلوک های خفتهاستفاده از VDDمجازی (VDDV)گیت های خروجی : جلوگیری از ارسال سطح منطقی نامعتبر به بلوک بعدیاندازه سوئیچ های فوقانی باید برای حداقل کردن اثرات منفی طراحی شود.گذر میان حالت های خفته و فعال مصرف توان پویامقرون به صرفه زمانی که برای مدت طولانی بلوک به خواب برود.

اسلاید 39: فصل پنجم : توان 39مثال طراحی - گیت کردن توانیک حافظه نهان در فرآیند 65 نانو متری با مصرف توان متوسط 2 واتسوال: یافتن عرض ترانزیستور فوقانی PMOS ؟محدودیت: تاخیر سیستم بیشتر از 5 درصد افزایش نیابد.راه حل: 

اسلاید 40: فصل پنجم : توان 40ضخامت های اکسید و ولتاژهای آستانه چندگانه ولتاژ آستانه پایینمسیرهای عادیافزایش سرعتمسیرهای بحرانیولتاژ آستانه بالاکاهش جریان نشتیافزایش طول کانالافزایش ولتاژ آستانهافزایش ضخامت اکسید گیتکاهش جریان نشتی گیتغیر مناسب برای کاربرد سریعضخامت کمتر برای ترانزیستورهای منطقیضخامت بیشتر برای ترانزیستورهای ورودی / خروجی

اسلاید 41: 41ولتاژهای آستانه متغییر (VTCMOS) در حالت خفتهتطبیق پویای ولتاژ آستانه ترانزیستوربایاس معکوس بدنهکاهش جریان نشتیاعمال بایاس بدنهدر حالت فعالبایاس مستقیم بدنهافزایش سرعتفصل پنجم : توان

اسلاید 42: توان تاخیر مجموع (PDP)کمیت خوبی برای سنجش کیفیت مدارات مختلف است.انرژی مصرفی در هر عملیات واحدش برحسب Jنکته: PDPمستقل از فرکانس است.فصل پنجم : توان 42

اسلاید 43: فصل پنجم : توان 43طراحی براساس مینیموم انرژی-تاخیر

اسلاید 44: فصل پنجم : توان 44معماری های توان پایین: توازی و ساختارهای لوله ای

اسلاید 45: فصل پنجم : توان 45حالت های مدیریت توان

اسلاید 46: بهینه سازی انرژیفصل پنجم : توان 46انرژیزمان طراحیمد خوابزمان کارفعالطراحی منطقیمنبع ولتاژ درجه بندی شدهسایزبندی ترانزیستورمنبع ولتاژ چندگانهگیت کردن کلاکتغییر مقیاس پویای ولتاژنشتیاثر پشته ایسایز بندی ترانزیستورمنبع ولتاژ درجه بندی شدهولتاژ آستانه چند گانهمنبع ولتاژ چندگانهولتاژ آستانه متغییرکنترل ورودیولتاژ آستانه متغییر 

اسلاید 47: مثالفصل پنجم : توان 47 

اسلاید 48: مثالفصل پنجم : توان 48 

اسلاید 49: فصل پنجم : توان 49