Дизайн чіпів є одним із пріоритетів розвитку кожної країни, і розширення індустрії дизайну чіпів у Китаї допоможе зменшити залежність моєї країни від іноземних чіпів. У попередніх статтях редактор одного разу представив прямий і зворотний потік проектування мікросхеми та перспективи проектування чіпів. У цій статті редактор познайомить вас із фактичним розділом проектування мікросхеми - оптимізацією та реалізацією енергоспоживання годинникового дерева в конструкції мікросхеми RFID.
Огляд 1
UHF RFID - це мікросхема для ідентифікації радіочастот УВЧ. Мікросхема приймає пасивний режим живлення: після отримання енергії несучої, ВЧ-фронтальний блок генерує сигнал живлення Vdd, щоб забезпечити роботу всього чіпа. Через обмеження системи живлення мікросхема не може генерувати великий струмовий привід, тому конструкція з низьким енергоспоживанням стала серйозним проривом у процесі розробки мікросхеми. Для того, щоб частина цифрової схеми виробляла якомога менше енергоспоживання, в процесі проектування цифрової логічної схеми, крім спрощення структури системи (прості функції, містить лише модуль кодування, модуль декодування, модуль генерації випадкових чисел, годинник , модуль скидання, блок управління пам’яті Як і загальний модуль управління), асинхронна конструкція схем прийнята в конструкції деяких схем. У цьому процесі ми побачили, що оскільки годинникове дерево споживає значну частину енергоспоживання цифрової логіки (близько 30% і більше), зменшення енергоспоживання годинникового дерева також стало зменшенням енергоспоживання цифрова логіка та потужність цілого чіпа тегів. Важливий крок для споживання.
2 Склад енергії мікросхеми та методи зменшення енергоспоживання
2.1 Склад енергоспоживання
Рисунок 1 Склад енергоспоживання мікросхеми
Динамічне споживання енергії в основному включає споживання електроенергії від короткого замикання та споживання енергії, що перевертається, що є основними компонентами енергоспоживання цієї конструкції. Споживана потужність короткого замикання - це внутрішнє споживання енергії, яке спричинене миттєвим коротким замиканням, спричиненим включенням P-трубки та N-трубки в певний момент у пристрої. Споживання енергії в обороті обумовлене заряджанням і розряджанням навантажувальної ємності на виході пристрою CMOS. Споживання енергії витоків в основному включає споживання енергії, спричинене підпороговим витоком та витоком затвора.
Сьогодні двома найважливішими джерелами енергоспоживання є: перетворення ємності та підпороговий витік.
2.2 Основні методи зменшення енергоспоживання
Рисунок 2 Основні методи зменшення енергоспоживання мікросхеми
2.2.1 Зменшити напругу живлення Vdd
Острів напруги: різні модулі використовують різні напруги живлення.
Багаторівневе масштабування напруги: в одному модулі є кілька джерел напруги. Перемикайтеся між цими джерелами напруги відповідно до різних застосувань.
Динамічне масштабування частоти напруги: оновлена версія "багаторівневого регулювання напруги", яка динамічно регулює напругу відповідно до робочої частоти кожного модуля.
Масштабування напруги AdapTIve: оновлена версія DVFS, яка використовує схему зворотного зв'язку, яка може контролювати поведінку ланцюга для адаптивного регулювання напруги.
Підпорогова схема (дизайн складніший, і він все ще залишається в рамках академічних досліджень)
2.2.2 Зменшити частоту f і коефіцієнт обороту A
Оптимізація коду (вилучення загальних факторів, повторне використання ресурсів, ізоляція операндів, послідовна робота для зменшення пікового споживання енергії тощо)
Закритий годинник
Багатогодинна стратегія
2.2.3 Зменшити ємність навантаження (CL) і розмір транзистора (Wmos)
Скоротити послідовні одиниці
Зменшення площі стружки та масштабу
Оновлення процесу
2.2.4 Зменшити струм витоку Ileak
Керування пороговою напругою (порогова напруга) (порогова напруга ↑ струм витоку ↓ при використанні MTCMOS, VTCMOS, DTCMOS)
Контролюйте напругу на затворі (напруга на затворі) (керуючи напругою на затворі-джерелі для контролю струму витоку)
Транзисторний стек (послідовно підключати зайві транзистори, збільшувати опір для зменшення струму витоку)
Блок живлення із закритим живленням (живлення gaTIng або PSO) (коли модуль не працює, вимкніть живлення, щоб ефективно зменшити струм витоку)
3 Оптимізація енергоспоживання тактового дерева на мікросхемі RFID
Коли мікросхема працює, велика частина енергоспоживання відбувається за рахунок обороту тактової мережі. Якщо годинникова мережа велика, втрата потужності, спричинена цією частиною, буде дуже великою. Серед багатьох технологій з низьким енергоспоживанням, закритий годинник має найсильніший стримуючий ефект на споживання енергії та внутрішнє споживання. У цій конструкції поєднання багаторівневої технології керованих годинників та спеціальної стратегії оптимізації дерева годинників економить велику частину енергоспоживання. Цей проект використовував різноманітні стратегії оптимізації споживання енергії в логічному проектуванні та випробував деякі методи у фоновому синтезі та фізичному проектуванні. Завдяки декільком оптимізації енергії та ітераціям у передній та задній частинах було розроблено дизайн логічного коду та мінімальне споживання електроенергії.
4.1 Вручну додайте регулювання годинника на етапі RTL
Рисунок 3 Принципова схема закритого годинника
модуль data_reg (En, Data, clk, out)
вхід En, clk;
вхід [7: 0] Дані;
вихід [7: 0] вихід;
завжди @ (posedge clk)
якщо (En) out = Дані;
endmodule
Мета цього етапу в основному подвійна: Перша - додати керований тактовий блок для контролю швидкості обороту та більш розумного зменшення динамічного споживання енергії відповідно до ймовірності тактового обороту кожного модуля. Другий - створити годинникову мережу зі збалансованою структурою, наскільки це можливо. Можна гарантувати, що деякі тактові буфери можуть бути додані на етапі синтезу внутрішнього дерева годинників для зменшення споживання енергії. Блок ICG (Integrated Gating) в бібліотеці комірок ливарного виробництва може бути безпосередньо використаний у власне дизайні коду.
4.2 Інструменти на фазі синтезу вставляються в інтегрований затвор
Рисунок 4 Вставка годинника під час синтезу логіки
# Встановіть параметри руху годинника, значення max_fanout за замовчуванням необмежене
set_clock_gating_style-послідовна_засувка клітинки \
-positive_edge_logic {інтегрований} \
-control_point перед \
-ввімкнено_контроль_сигналу сканування
# Створіть більш збалансоване дерево годин, вставляючи «завжди включені» ICG
встановити true_cg_all_registers true
встановити true_remove_redundant_clock_gates true
read_db design.gtech.db
поточний_проект зверху
link
джерело дизайн. cstr.tcl
# Вставте ворота годинника
insert_clock_gating
скласти
# Створити звіт про введення годинника
report_clock_gating
Метою цього етапу є використання вбудованого інструменту (постійного струму) для автоматичної вставки закритого блоку з метою подальшого зменшення енергоспоживання.
Слід зазначити, що параметри параметрів для вставки ICG, такі як максимальний вентилятор (чим більший вентилятор, тим більше економія енергії, тим більш збалансований вентилятор, тим менший перекіс, залежно від конструкції, як показано на малюнку), і параметр minimum_bitwidth параметр Крім того, необхідно вставити нормально відкритий ICG для більш складних структур управління воротами, щоб зробити структуру тактової мережі більш збалансованою.
4.3 Оптимізація енергоспоживання на стадії синтезу годинникового дерева
Рисунок 5 Порівняння двох структур годинникового дерева (а): багаторівневий тип глибини; (b): малорівневий плоский тип
Спочатку вкажімо вплив комплексних параметрів годинникового дерева на структуру годинникового дерева:
Косий: перекіс годинника, загальна мета годинникового дерева.
Затримка вставки (затримка): загальна затримка годинникового шляху, що використовується для обмеження збільшення кількості рівнів дерева годинника.
Максимальна таранція: Максимальний час перетворення обмежує кількість буферів, які можуть керуватися буфером першого рівня.
Max Capacitance Max Fanout: Максимальна ємність навантаження та максимальна вентиляційна здатність обмежують кількість буферів, які можуть управлятися буфером першого рівня.
Кінцева мета синтезу годинникового дерева в загальному дизайні - зменшити перекіс годинника. Збільшення кількості рівнів і зменшення кожного рівня фанату дозволить інвестувати більше буферів і більш точно збалансувати затримку кожного тактового шляху, щоб отримати менший перекіс. Але для конструкції з низьким енергоспоживанням, особливо коли тактова частота низька, вимоги до синхронізації не дуже високі, тому можна сподіватися, що масштаб дерева годинника може бути зменшений, щоб зменшити динамічне споживання енергії імпульсу, викликане тактовим деревом. Як показано на малюнку, зменшуючи кількість рівнів дерева годинника та збільшуючи розмивання, розмір дерева годинника можна ефективно зменшити. Однак, завдяки зменшенню кількості буферів, годинникове дерево з меншою кількістю рівнів, ніж багаторівневе дерево годинника Просто приблизно збалансуйте затримку кожного тактового шляху і отримайте більший перекіс. Можна бачити, що з метою зменшення масштабу годинникового дерева синтез годинникового дерева з низькою потужністю відбувається за рахунок збільшення певного перекосу.
Спеціально для цього чіпа RFID ми використовуємо процес TSMC 0.18um CMOS LOGIC / MS / RF, і тактова частота становить лише 1.92M, що є дуже низьким. У цей час, коли годинник використовується для синтезу дерева годинника, низький годинник використовується для зменшення масштабу дерева годинника. Синтез дерева годинника енергоспоживання в основному встановлює обмеження перекосу, затримки та переходу. Оскільки обмеження вентиляції збільшить кількість тактових частот і збільшить споживання енергії, це значення не встановлено. Значення за замовчуванням у бібліотеці. На практиці ми використовували 9 різних обмежень для годинникового дерева, а обмеження та вичерпні результати наведені в таблиці 1.
Висновок 5
Як показано в Таблиці 1, загальна тенденція полягає в тому, що чим більший цільовий перекіс, тим менший кінцевий розмір дерева годинника, менша кількість буферів дерева годинника і менша відповідна динамічна та статична енергоспоживання. Це збереже дерево годинника. Мета споживання. Видно, що коли цільовий перекіс більше 10 нс, споживання енергії в основному не змінюється, але велике значення перекосу призведе до погіршення часу утримання та збільшить кількість буферів, вставлених під час ремонту часу, тому слід піти на компроміс. З діаграми стратегія 5 та стратегія 6 є найкращими рішеннями. Крім того, коли вибрано оптимальне налаштування перекосу, ви також можете побачити, що чим більше значення переходу Max, тим нижче остаточне споживання енергії. Це можна зрозуміти як чим довший час переходу тактового сигналу, тим менша енергія потрібна. Крім того, налаштування обмеження затримки можна максимально збільшити, і його значення мало впливає на кінцевий результат енергоспоживання.
Наш інший продукт:
