Дызайн чыпаў - адзін з прыярытэтаў развіцця кожнай краіны, і пашырэнне кітайскай індустрыі дызайну чыпаў дапаможа паменшыць залежнасць маёй краіны ад замежных чыпаў. У папярэдніх артыкулах рэдактар аднойчы прадставіў прамую і зваротную плынь дызайну мікрасхем і перспектывы дызайну мікрасхем. У гэтым артыкуле рэдактар прадставіць вам фактычны раздзел дызайну мікрасхем - аптымізацыю і рэалізацыю энергаспажывання тактавага дрэва ў дызайне чыпаў RFID.
Агляд 1
UHF RFID - мікрасхема для ідэнтыфікацыі радыёчастот УВЧ. Мікрасхема прымае пасіўны рэжым харчавання: пасля атрымання энергіі носьбіта радыёчастотны блок генеруе сігнал Vdd харчавання для забеспячэння працы ўсяго чыпа. З-за абмежаванняў сістэмы харчавання мікрасхема не можа генераваць вялікі прывад току, таму дызайн з невялікай магутнасцю стаў галоўным прарывам у працэсе распрацоўкі чыпа. Для таго, каб частка лічбавай схемы вырабляла як мага менш энергаспажывання, у працэсе праектавання лічбавай лагічнай схемы, акрамя спрашчэння структуры сістэмы (простыя функцыі, змяшчае толькі модуль кадавання, модуль дэкадавання, модуль генерацыі выпадковых лікаў, гадзіннік , модуль скіду, блок кіравання памяццю, а таксама агульны модуль кіравання), дызайн асінхроннай схемы прыняты ў дызайн некаторых ланцугоў. У гэтым працэсе мы ўбачылі, што паколькі дрэва гадзінніка спажывае вялікую частку энергаспажывання лічбавай логікі (каля 30% і больш), памяншэнне энергаспажывання дрэва гадзінніка таксама стала памяншэннем энергаспажывання лічбавая логіка і магутнасць усяго чыпа тэгаў. Важны крок для спажывання.
2 Склад электраэнергіі і спосабы зніжэння энергаспажывання
2.1 Склад энергаспажывання
Малюнак 1 Склад энергаспажывання мікрасхем
Дынамічнае энергаспажыванне ў асноўным уключае спажыванне электраэнергіі з кароткім замыканнем і перагортванне, якія з'яўляюцца асноўнымі кампанентамі энергаспажывання гэтай канструкцыі. Спажыванне электраэнергіі з кароткім замыканнем - гэта ўнутранае спажыванне электраэнергіі, якое выклікана імгненным кароткім замыканнем, выкліканым уключэннем P-трубкі і N-трубкі ў пэўны момант прылады. Спажыванне абарачальнай магутнасці выклікана зарадкай і разрадам ёмістасці нагрузкі на выхадзе CMOS-прылады. Спажыванне электраэнергіі ў асноўным уключае спажыванне электраэнергіі, выкліканае дапароговай уцечкай і ўцечкай засаўкі.
На сённяшні дзень двума найбольш важнымі крыніцамі энергаспажывання з'яўляюцца: пераўтварэнне ёмістасці і подпороговая ўцечка.
2.2 Асноўныя метады зніжэння энергаспажывання
Малюнак 2 Асноўныя метады зніжэння энергаспажывання мікрасхем
2.2.1 Паменшыць напружанне крыніцы харчавання Vdd
Востраў напружання: Розныя модулі выкарыстоўваюць розныя напружання крыніцы харчавання.
Шматузроўневае маштабаванне напружання: У адным модулі некалькі крыніц напружання. Пераключацца паміж гэтымі крыніцамі напружання ў залежнасці ад розных прыкладанняў.
Дынамічнае маштабаванне частоты напружання: мадэрнізаваная версія "шматузроўневай рэгулявання напружання", якая дынамічна рэгулюе напружанне ў адпаведнасці з працоўнай частатой кожнага модуля.
Адаптаванае маштабаванне напружання: мадэрнізаваная версія DVFS, якая выкарыстоўвае схему зваротнай сувязі, якая можа кантраляваць паводзіны ланцуга для адаптыўнай карэкціроўкі напружання.
Пороговая схема (дызайн больш складаны, і ён па-ранейшаму застаецца ў рамках акадэмічных даследаванняў)
2.2.2 Паменшыць частату f і хуткасць абароту A
Аптымізацыя кода (выманне агульных фактараў, паўторнае выкарыстанне рэсурсаў, ізаляцыя аперанда, паслядоўная праца па зніжэнні пікавага спажывання энергіі і г.д.)
Закрыты гадзіннік
Шматгадзінная стратэгія
2.2.3 Паменшыць ёмістасць нагрузкі (CL) і памер транзістара (Wmos)
Паменшыць паслядоўныя адзінкі
Зніжэнне плошчы сколу і маштабу
Абнаўленне працэсу
2.2.4 Паменшыць ток уцечкі Ileak
Кіраванне парогавым напружаннем (парогавае напружанне) (парогавае напружанне ↑ ток уцечкі ↓ пры выкарыстанні MTCMOS, VTCMOS, DTCMOS)
Кантроль напружання на засаўцы (напружанне на засаўцы) (кіраванне напругай на засаўцы-крыніцы для кіравання токам уцечкі)
Транзістарны стэк (паслядоўна падключаць лішнія транзістары, павялічваць супраціў для памяншэння току ўцечкі)
Закрыты блок харчавання (сілавы датчык альбо PSO) (калі модуль не працуе, адключыце харчаванне, каб эфектыўна паменшыць ток уцечкі)
3 Аптымізацыя энергаспажывання тактавага дрэва ў чыпе RFID
Калі мікрасхема працуе, вялікая частка энергаспажывання адбываецца за кошт абароту гадзіннікавай сеткі. Калі гадзіннікавая сетка вялікая, страта магутнасці, выкліканая гэтай часткай, будзе вельмі вялікай. Сярод многіх тэхналогій з нізкім энергаспажываннем зачыненыя гадзіны аказваюць наймацнейшае абмежаванне на спажыванне электраэнергіі і ўнутранае спажыванне. У гэтым дызайне спалучэнне шматузроўневай тэхналогіі закрытых гадзіннікаў і спецыяльнай стратэгіі аптымізацыі дрэва гадзіннікаў эканоміць вялікую частку энергаспажывання. У гэтым праекце былі выкарыстаны розныя стратэгіі аптымізацыі энергаспажывання ў лагічным дызайне, а таксама апрабаваны некаторыя метады ў сістэме ўнутранага сінтэзу і фізічным дызайне. Шляхам некалькіх аптымізацыі магутнасці і ітэрацый у пярэдняй і задняй частках, дызайн лагічнага кода і мінімальны расход электраэнергіі былі знойдзены Комплексны падыход.
4.1 Уручную дадайце гадзіннікавы стрыжань на этапе RTL
Малюнак 3 Прынцыповая схема закрытых гадзіннікаў
модуль data_reg (En, Data, clk, out)
уваход En, clk;
уваход [7: 0] Дадзеныя;
выхад [7: 0] з;
заўсёды @ (possedge clk)
калі (En) out = дадзеныя;
канчатковы модуль
Мэта гэтага этапу ў асноўным дваякая: Першая складаецца ў даданні закрытага гадзіннікавага блока для кантролю хуткасці абароту і больш разумнага зніжэння дынамічнага спажывання энергіі ў залежнасці ад верагоднасці абарачэння тактавага модуля кожнага модуля. Другое - максімальна стварыць гадзіннікавую сетку са збалансаванай структурай. Можна гарантаваць, што некаторыя буферы тактавых частот могуць быць дададзены на стадыі сінтэзу дрэва рэзервовых гадзіннікаў для памяншэння спажывання энергіі. Блок ICG (Integrated Gating) у бібліятэцы ячэйкі ліцейнага цэха можа быць непасрэдна выкарыстаны ў рэальным дызайне кода.
4.2 Інструменты на стадыі сінтэзу ўстаўляюцца ў інтэграваны варот
Малюнак 4 Устаўка гадзіннікавага сігналу падчас лагічнага сінтэзу
# Усталюйце параметры варот гадзінніка, па змаўчанні max_fanout неабмежаваны
set_clock_gating_style-последовательная_ячейка-зашчапка \
-пазітыўны_эдгелагічны {інтэграваны} \
-control_point перад \
-кантроль_сігнал сканавання_магчыма
# Стварыце больш збалансаванае дрэва гадзінніка, устаўляючы "заўсёды ўключаныя" ICG
усталяваць power_cg_all_registers true
усталяваць power_remove_redundant_clock_gates true
read_db design.gtech.db
бягучы_дызайн зверху
спасылка
крыніца design.cstr.tcl
# Устаўце варот гадзінніка
ўстаўка_гадзіны_гадзіны
кампіляваць
# Стварыць справаздачу аб усталяваным гадзінніку
справаздача_гадзінніка
Мэтай гэтага этапу з'яўляецца выкарыстанне ўбудаванага інструмента (DC) для аўтаматычнай устаўкі закрытага блока для далейшага зніжэння энергаспажывання.
Варта адзначыць, што параметры параметраў для ўстаўкі ICG, такія як максімальны вывад (чым большы вывад, тым больш энергазберажэнне, чым больш збалансаваны вывад, тым меншы перакос у залежнасці ад канструкцыі, як паказана на малюнку), і параметр minimum_bitwidth Акрамя таго, неабходна ўставіць нармальна адчыненую ICG для больш складаных структур кіравання варотамі, каб зрабіць структуру тактавай сеткі больш збалансаванай.
4.3 Аптымізацыя энергаспажывання на стадыі сінтэзу тактавага дрэва
Малюнак 5 Параўнанне дзвюх структураў гадзіннікавага дрэва (а): шматузроўневы тып глыбіні; (б): плоскі тып некалькіх узроўняў
Спачатку ўвядзіце ўплыў комплексных параметраў дрэва гадзіннікаў на структуру дрэва гадзіннікаў:
Перакос: Перакос гадзінніка, агульная мэта гадзіннікавага дрэва.
Затрымка ўстаўкі (затрымка): Поўная затрымка тактавага шляху, якая выкарыстоўваецца для абмежавання павелічэння колькасці узроўняў дрэва гадзінніка.
Максімальная таранцыя: максімальны час пераўтварэння абмяжоўвае колькасць буфераў, якія могуць кіравацца буферам першага ўзроўню.
Максімальная ёмістасць Max Fanout: Максімальная ёмістасць нагрузкі і максімальная колькасць Fanout абмяжоўваюць колькасць буфераў, якія могуць кіравацца буферам першага ўзроўню.
Канчатковая мэта сінтэзу гадзіннікавага дрэва ў агульным дызайне - паменшыць перакос гадзінніка. Павелічэнне колькасці узроўняў і памяншэнне кожнага ўзроўню запамінання будзе ўкладваць больш буфераў і больш дакладна ўраўнаважваць затрымку кожнага гадзіннікавага шляху, каб атрымаць меншы перакос. Але для дызайну з нізкім энергаспажываннем, асабліва калі тактавая частата нізкая, патрабаванні да тэрмінаў не вельмі вялікія, таму можна спадзявацца, што маштаб дрэва гадзіннікаў можа быць зменшаны, каб паменшыць дынамічнае спажыванне электраэнергіі пры пераключэнні, выкліканае тактавым дрэвам. Як паказана на малюнку, за кошт памяншэння колькасці узроўняў дрэва гадзіннікаў і павелічэння выбітаў, памер дрэва гадзінніка можна эфектыўна паменшыць. Аднак, з-за памяншэння колькасці буфераў, гадзіннікавае дрэва з меншай колькасцю узроўняў, чым шматузроўневае дрэва гадзіннікаў Проста прыблізна збалансуйце затрымку кожнага гадзіннікавага шляху і атрымаеце большы перакос. Відаць, што з мэтай памяншэння маштабу гадзіннікавага дрэва сінтэз дрэва гадзіннікавага дрэва з малой магутнасцю адбываецца за кошт павелічэння пэўнага перакосу.
У прыватнасці, для гэтага чыпа RFID мы выкарыстоўваем працэс CMOS LOGIC / MS / RF TSMC 0.18um, і тактавая частата складае ўсяго 1.92M, што вельмі нізка. У гэты час, калі гадзіннік выкарыстоўваецца для сінтэзу дрэва гадзіннікавага дрэва, нізкі гадзіннік выкарыстоўваецца для памяншэння маштабу дрэва гадзінніка. Сінтэз дрэва гадзіннікавага энергаспажывання ў асноўным усталёўвае абмежаванні перакосу, затрымкі і праходжання. Паколькі абмежаванне выбывання павялічыць колькасць узроўняў тактавага дрэва і павялічыць энергаспажыванне, гэта значэнне не ўстаноўлена. Значэнне па змаўчанні ў бібліятэцы. На практыцы мы выкарыстоўвалі 9 розных абмежаванняў дрэва гадзінніка, а абмежаванні і вычарпальныя вынікі паказаны ў табліцы 1.
5 Заключэнне
Як паказана ў табліцы 1, агульная тэндэнцыя заключаецца ў тым, што чым больш мэтавы перакос, тым меншы канчатковы памер дрэва тактавага дрэва, меншая колькасць буфераў тактавага дрэва і меншае адпаведнае дынамічнае і статычнае спажыванне энергіі. Гэта зэканоміць дрэва гадзін. Мэта спажывання. Можна бачыць, што калі мэтавы перакос больш за 10 нс, спажыванне энергіі ў асноўным не змяняецца, але вялікае значэнне перакосу прывядзе да пагаршэння часу ўтрымання і павялічыць колькасць буфераў, устаўляемых пры рамонце часу, таму трэба пайсці на кампраміс. З дыяграмы пераважныя рашэнні - Стратэгія 5 і Стратэгія 6. Акрамя таго, калі абраны аптымальны перакос, вы таксама можаце ўбачыць, што чым большае значэнне пераходу Max, тым ніжэйшае канчатковае спажыванне энергіі. Гэта можна зразумець, чым большы час пераходу тактавага сігналу, тым меншая неабходная энергія. Акрамя таго, налада абмежавання затрымкі можа быць максімальна павялічана, і яго значэнне практычна не ўплывае на вынік энергаспажывання.
Наш іншы прадукт:
