论文总字数：30447字

摘 要

如今，低功耗电路成为了一种切实的需求。为了满足这一需求，低电压电路受到了一定的重视。一般而言，低电压电路是指工作电压在MOS器件阈值电压附近的电路，即近/亚阈值集成电路。但是因为近阈值电路发展较晚，目前并没有针对这种电路的专用开发工具。目前主流EDA工具往往存在运算量巨大、耗时较高的问题。

本文针对这一现象，尝试研究近阈值电路的路径延时和波动问题。本文尝试通过复现Over/Undershooting Effects in Accurate Buffer Delay Model for Sub-Threshold Domain一文的建模的方法对近阈值器件以及电路的路径延时和延时波动进行仿真，并考虑输入波形的快慢对于路径延时及波动的影响。

模型建立完毕后与SPICE的仿真结果对比加以验证。验证时，分别根据负载、温度、制程和输入波形时间几个方面进行实验。最终，模型验证结果基本符合项目要求（与SPICE仿真结果小于10%），因此可以认为模型建立成功。

关键词：近阈值电路、路径延时、延时波动、建模、复现

ABSTRACT

Today, low-power circuits are a real need. In order to meet this demand, low-voltage circuits have received a certain degree of attention. In general, a low voltage circuit refers to a circuit whose operating voltage is near the threshold voltage of a MOS device, that is, a near/sub-threshold integrated circuit. However, because of the late development of near-threshold circuits, there is currently no dedicated development tool for such circuits. At present, mainstream EDA tools often have problems of huge computation and high time consumption.

In response to this phenomenon, this paper attempts to study the path delay and fluctuation of near-threshold circuits. This paper attempts to simulate the path delay and delay fluctuation of near-threshold devices and circuits by recreating the method of Over/Undershooting Effects in Accurate Buffer Delay Model for Sub-Threshold Domain, and considers the speed of the input waveform for the path. The effects of delays and fluctuations.

After the model is established, it is verified by comparing with the simulation results of SPICE. During verification, experiments were performed based on load, temperature, process, and input waveform time. In the end, the model verification results basically meet the project requirements (less than 10% with SPICE simulation results), so the model can be considered successful.

Keywords: near-threshold circuit, path delay, delay fluctuation, modeling,recurrent

目 录

摘要…..…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……..…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. Ⅱ

第一章 绪论 1

第二章 “Over/Undershooting Effects in Accurate Buffer Delay Model for Sub-Threshold Domain模型”复现 5

2.1现有模型简介 5

2.2单级倒向器模型建立 6

2.3单级倒向器波动模型 12

2.4多CMOS倒向器级联时的路径延时以及波形 14

2.5多CMOS倒向器级联时的延时波动 16

第三章 “Over/Undershooting Effects in Accurate Buffer Delay Model for Sub-Threshold Domain模型”验证 17

3.1单级倒向器模型验证 17

3.1.1模型修正 17

3.1.2负载电容对模型的影响。 17

3.1.3模型对电源电压的响应 21

3.1.4模型对工作温度的响应 23

3.1.5模型对于器件尺寸的适配 26

3.1.6单倒向器路径延时模型总结 29

3.1.7单级倒向器延时波动 29

3.1.8单一倒向器模型建立总结 30

3.2多级倒向器模型验证 31

3.2.1多级倒向器模型路径延时验证 31

3.2.2多级倒向器模型延时波动验证 34

第四章 总结 35

参考文献 36

致 谢 39

第一章 绪论

在科技飞速发展的今天，集成电路早已成为了日常生活中十分重要的一个因素。得益于集成电路的发展，我们可以享受到快捷、高效的当代生活，而这背后，都得益于集成电路技术的飞速发展。

从历史来看，集成电路并不是一个历史悠久的工业。直至1947年，贝尔实验室的肖特来等人才第一次发明晶体管。1958年，仙童公司的Robert Noyce与德州仪器公司的基尔比相继发明了集成电路，此时，距离晶体管的发明仅仅过去了十一年。1962年，美国的RCA公司率先研制出MOS场效应晶体管，时至今日，MOS场效应晶体管仍然是集成电路中的主要组成元素。1963年，F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，如今，95%的集成电路仍然在使用CMOS技术。1964年，英特尔公司的摩尔提出著名的摩尔定律，即晶体管集成度每18个月增加一倍，这一定律一直被沿用至今。1966年，美国RCA公司开发出CMOS集成电路，并开发了第一块门阵列集成电路。1971年，英特尔推出1kb的动态随机存储器（DRAM），这是LSI（大规模集成电路）的第一次出现。同年，英特尔开发出了4004处理器，采用MOS工艺，这是全球第一块微处理器。1974年，美国RCA公司推出微处理器1802，这是世界上首个采用CMOS技术的微处理器。之后，当集成电路需要的基础理论和工艺结构逐渐完备之时，集成电路行业经历了井喷式发展。直至发展至今，集成电路产业已经达到了一个新的高度，最新工艺已经达到7nm，并且可以做到单芯片百亿晶体管级的规模。

在近现代，随着电路规模的不断逐渐增大、电路工作频率的不断升高、电路集成度的不断提升，以及许多对能耗要求极其苛刻的专用电路的增多，对于集成电路功耗的要求正在逐步增高。如何在保证电路性能的情况下尽可能减小电路功耗成为了一个重要议题。针对一些对于功耗有着苛刻要求的系统，亚/近阈值电路成为了一个切实可行的解决方案。相对于传统电路（1.2v工作电压）而言，亚/近阈值电路拥有极低的功耗，但是与之相对的，其预算速度也相对较低。这种低功耗低速度的特点在某些特定领域可以得到最大的发挥，比如植入式医疗电子设备。健康检测设备的数据处理频率并不高，但是却具有难以更换电池的特点^[1]。其SoC里的微处理器每条指令所需能量仅为1.51pJ，而整个SoC处理相关数据的时候，其总功耗只有2.6μw^[2]。正是种种类似这样的电路的存在，使得亚/近阈值低功耗电路成为了一个有着广阔前景的领域。

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