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研究生: 廖培偉
Pei-Wei Liao
論文名稱: 先進低功率設計技術之評估
Evaluation of Advanced Low Power Design Techniques
指導教授: 馬席彬
Hsi-Pin Ma
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 173
中文關鍵詞: 多重臨界電壓選擇式時脈閘控區塊低功耗
外文關鍵詞: MTCMOS, selective, clock gating, macro
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  • 隨著於超大型積體電路技術逐日進步,無論是以低功率消耗伴隨較低效能需求的設計或是高功率消耗追求高效能展現的設計,都逐漸地朝著可以設計出更低的功率消耗但卻能提升效能展現的目標邁進。在低功率的議題上,我們檢視了各種功率消耗的發生原因以及特徵以尋找多種低功耗技術來改善它。這些技術過去多被獨立提出,亦有許多技術未經過各層次的驗證,故我們經過評估與模擬,選擇了可行性且效能高的多種低功率技術進行研究,包括了能大幅改善動態功率消耗的時脈閘控技術、根據電路需求改變的選擇式多重臨界電壓互補式金屬氧化層半導體技術以及休眠電晶體的應用。為了從邏輯單元基底設流程著手,我們設計了多重臨界電壓標準元件庫,並且將其應用於現行的流程中,包含電路合成與自動佈局的執行。而標準元件庫的產生流程與資訊以及標準元件之設計要領也是我們為了針對元件設計仔細探討的部分。在過去一些有待改善的低功率技術,我們也提出了實現方法將低功率技術整合成晶片並予以驗證,其中又以模組分析與切割以及區塊佈局方式為重點。在最後模擬結果中,我們看到了各式低功率技術所帶來的成效,包括了改善整體動態功率消耗(3%)、降低待機狀態功率消耗(78%)以及減低漏電流效應(56%),均符合我們所預期之目標。


    1 導論(Introduction) 1 1.1 發展背景(Background) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 論文動機(Motivation of Thesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 論文內容(Contents of Thesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 低功率設計議題(Low Power Design Issues) 5 2.1 漏電流種類(Leakage Current Categories) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 閘極直接穿隧電流(Gate Direct Tunneling Current) . . . . . . . . 7 2.1.2 場穿隧電流(Junction Tunneling Current) . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.3 次臨界漏電流(Sub-threshold Leakage Current) . . . . . . . . . . . 9 2.2 次臨界漏電流功耗(Sub-threshold Leakage Consumption) . . . . . . . . . 10 2.3 時脈閘控技術(Clock Gating Technology) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4 多重臨界電壓互補式金屬氧化層半導體技術(Multi-threshold Voltage CMOS Technology, MTCMOS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.1 傳統多重臨界電壓互補式金屬氧化層半導體技術(Conventional MTCMOS Technology) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4.2 堆疊式多重臨界電壓互補式金屬氧化層半導體技術(Stack MTCMOS Technology) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4.3 選擇式多重臨界電壓互補式金屬氧化層半導體技術(Selective MTCMOS Technology) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 標準元件庫發展(Standard Cell Library Development) 21 3.1 標準元件設計規則(Standard Cell Design Rules) . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.1 繞線式宮格(Routing Grid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.1.2 標準元件設計之方法(Standard Cell Design Methodology) . . . . . 23 3.2 標準元件庫(Standard Cell Library) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.2.1 元件庫產生流程(Library Generation Flow) . . . . . . . . . . . . . 27 3.3 元件特徵化(Cell Characterization) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.4 元件庫模型(Library Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5 具多重臨界電壓之標準元件庫(MTCMOS Standard Cell Libraries) . . . . 32 3.5.1 互補式金屬氧化層半導體之標準元件庫(CMOS Standard Cell Libraries) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5.2 多重臨界電壓互補式金屬氧化層半導體技術之應用(MTCMOS Application) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.6 特殊元件之設計(Special Cell Design) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.6.1 時脈閘控元件之設計(Clock Gating Cell Design) . . . . . . . . . . 41 4 設計流程(Design Flow) 43 4.1 邏輯單元基底設計流程(Cell-Based Design Flow) . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2 元件庫產生流程(Library Generation Flow) . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3 電路合成(Synthesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.4 自動佈局與繞線(Automatic Placement and Routing) . . . . . . . . . . . 50 5 測試電路設計(Testing Circuit Design) 53 5.1 測試電路簡介(Introduction to Test Circuit) . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.2 架構設計(Architecture Design) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.3 測試電路之實現(Implementation of Testing Circuit) . . . . . . . . . . . . 58 5.3.1 電路合成(Synthesis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.3.2 自動佈局(Automatic Placement and Routing) . . . . . . . . . . . 59 5.3.3 模擬結果與分析(Simulation Results and Analysis) . . . . . . . . . 61 6 結論(Conclusions) 69 6.1 未來工作(Future Works) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2 結論(Conclusions) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

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