面向超宽工作电压的时序监测单元优化设计

论文总字数：30422字

摘 要

无论数据中心还是手持设备，功耗通常是当今这些计算机平台首要关注的问题。由于无法确定的PVT偏差的影响，在传统设计中电源电压一般都会根据芯片最坏状态而留出一定的余量，而这些电源电压的余量导致了功耗的增多。自适应电压调节技术是新兴的降低功耗、减小PVT影响的有效方法，其原理是将PVT因素的影响归为电路延时的变化，在电路中加入监测单元获取延时信息，根据延时调节电压，降低设计阶段预留的电压余量，达到降低芯片功耗的目的。因此，能精确反映PVT偏差的时序监测单元具有重要的研究意义和实用价值。

本文对现存的各类监测单元进行了全面系统的分析，比较了各类单元的收益及与之相应的代价。针对现有单元存在的考虑低电压工作状态较少或者面积开销较大的缺陷，本文提出了一种新型的基于复制关键路径的预测型监控单元，并对该单元低电压的功能和性能进行了仿真分析，评估其实用性。

本文采用SMIC40nm工艺，利用S9234标准测试电路对新提出的预测型单元进行了系统功能验证，测量该单元在实际系统应用中的性能和功耗收益。结果表明，使用该监控单元电路在常规电压下能够得到12%-47%性能提升，在低电压下取得25%-60%的性能提升，14%-38%的功耗收益。

关键词：PVT偏差，监控单元，低电压，低功耗，自适应电压调节

Abstract

Regardless of the data center or handheld devices, power is primary concerned in these computer platform nowadays. Typically, in response to the PVT deviation unable to be determined, the traditionally IC design will set aside a certain amount of voltage headroom based on the worst condition of the circuit. However, the voltage margin will led to the increased power consumption. Adaptive voltage scaling technique is a new and effective method to reduce the impact of PVT and power consumption. Its principle is attribute PVT influence to the variations of circuit delay, and then add monitor to circuit to acquire delay information. According to the delay regulate the voltage to reduce the voltage margin of the design stage as well as power consumption of the chip. Therefore, the monitor that can accurately reflect PVT variation is of great significance and practical value.

A systematic analysis of the existing monitors, and a comparison of various types of monitors’ profit and cost are made by this paper. In view of fact that the shortcomings of the existing monitors is that they consider less of low voltage working condition and they have large area overhead, this paper proposes a new type of predictive monitor based on the critical path of replication. And we analyze the function and performance of monitor in the condition of the low voltage, and evaluate its practicability.

In this paper, the SMIC40nm process is used, and the S9234 standard test circuit is used to verify the new proposed predictive monitor function in a system. Performance and power consumption of the monitor in practical system applications is measured. The results show that applying this monitor can improve performance about 12%-47% under normal voltage, 25%-60% under low voltage and reduce power consumption about 14%-38%.

Key word: PVT variation, Monitor, Low voltage, Low power, Adaptive voltage scaling

目录

摘 要 III

Abstract IV

目录 V

第一章 绪论 2

1.1课题研究背景 2

1.2本文的主要内容和研究目标 3

第二章 自适应电压调节技术 4

2.1 芯片中电路功耗的组成 4

2.2 PVT偏差对电路的影响 6

2.3 监控单元设计的难点 9

第三章 现有监控单元分析及仿真结果比较 10

3.1 现有监控单元原理分析 10

3.2 监控单元的仿真及结果分析 16

3.3本章小结 20

第四章 改进预测型监控单元及其系统仿真 21

4.1 改进预测型监控单元结构介绍 21

4.2改进预测型监控单元仿真 23

4.3 改进预测型监控单元的系统测试结果 25

第五章 总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 28

致谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1课题研究背景

无论是数据中心还是手持设备，功耗通常是当今这些计算机平台首要关注的问题^[1]。他们的重要性主要是因为随着半导体工艺的飞速发展，集成电路（Integrated Circuit, IC）的工艺尺寸也在逐渐的变小，CMOS技术早已停止缩小并接近完美，功率密度（芯片单位面积上的功耗）因此也随着每一代技术的革新显著增加。而功率密度的增加又会导致芯片内部发热量的增大以及芯片功能可靠性的下降。如果我们要继续提供越来越好的计算性能，就需要找到新的更加节能的方法。

同时，随着半导体工艺的飞速发展，工艺、电压、温度（Process-Voltage-Temperature, PVT）等参数的偏差对集成电路设计的影响也越来越大。例如：工艺参数偏差对晶体管的开关速度有很大的影响，导致整个芯片的不同核心在功耗和性能上差异显著。同时工艺参数偏差会产生一些负面作用，因为它们将导致芯片消耗更多的静态功耗，导致工作频率降低，并且甚至发生错误。所以，在芯片工作时，PVT偏差对芯片电路时序的影响必须考虑，从而保证芯片能够在最坏状态^[2]（wc，worst_case）下正常的运行，“最坏状态”是指对电路时序造成所有不利的影响因素全部出现时的状态。

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