1. فصل پنجم : توان

2. فصل پنجم: توان ارائه دهنده: فیروز همتی
فصل پنجم: توان
ارائه دهنده: فیروز همتی
استاد راهنما: آقای دکتر نجفی اقدم
دانشگاه صنعتی سهند تبریز
بهار 94
فصل پنجم : توان

3. رئوس مطالب مقدمه توان پویا توان ایستا بهینه سازی تاخیر- انرژی
معماری های توان پایین
فصل پنجم : توان

4. مقدمه: تعاریف
توان از یک منبع ولتاژ متصل به پایه (یا پایه های) VDD کشیده می شود.
توان لحظه ای:
انرژی:
توان متوسط:
واحد توان: وات (W) واحد انرژی: ژول (J) یا توان-ساعت
فصل پنجم : توان

5. توان در المان های مداری
فصل پنجم : توان

6. شارژ خازن
فصل پنجم : توان

7. شکل موج های سوئیچینگ وارونگر
مثال: VDD = 1.0 V , CL = 150 fF , f = 1 GHz
فصل پنجم : توان

8. شکل موج های سوئیچینگ وارونگر
مثال: VDD = 1.8 V , CL = 150 fF , f = 1 MHz tech:180nm
فصل پنجم : توان

9. توان سوئیچینگ
فصل پنجم : توان

10. ضریب فعالیت
فصل پنجم : توان

11. 4- جریان کشیده شده در حالت رقابت در مدارات نسبتی*
عوامل مصرف توان
توان
توان ایستا
توان پویا
1- ناشی از جریان زیر آستانه
1- شارژ و دشارژ خازن در سوئیچ
2- جریان نشتی گیت
2- جریان اتصال کوتاه
3- جریان نشتی پیوند سورس(درین)-بدنه
4- جریان کشیده شده در حالت رقابت در مدارات نسبتی*
×: Ratioed circuits
فصل پنجم : توان

12. عوامل مصرف توان Ptotal = Pdynamic + Pstatic
توان پویا: Pdynamic = Pswitching + Pshortcircuit
سوئیچینگ خازن بار
جریان اتصال کوتاه
توان ایستا: Pstatic = (Isub + Igate + Ijunct + Icontention)VDD
جریان نشتی زیر آستانه
جریان نشتی گیت
جریان نشتی پیوندها با بدنه
جریان نشتی رقابتی
فصل پنجم : توان

13. توان پویا: مثال تراشه دیجیبتالی با یک میلیارد ترانزیستور
50 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در گیت های منطقی
عرض متوسط ترانزیستورها: l
ضریب فعالیت گیت های منطقی: 0.1
950 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در آرایه حافظه
عرض متوسط ترانزیستورها: 4 l
ضریب فعالیت:
منبع ولتاژ: 1 ولتی تکنولوژی: 65 نانومتری طول کانال: 50 nm l = 25
خازن گیت=1 fF/mm خازن نفوذ=0.8 fF/mm
سوال: توان سوئیچینگ در فرکانس کاری 1 گیگا هرتزی؟
از خازن سیم و جریان اتصال کوتاه صرف نظر کنید.
فصل پنجم : توان

14. پاسخ:
فصل پنجم : توان

15. کاهش توان دینامیک تلاش برای کاهش: ضریب فعالیت خازن منبع ولتاژ
فرکانس کار
فصل پنجم : توان

16. تخمین ضریب فعالیت Pi = 1-Pi ai = Pi * Pi
داده های کاملا تصادفی دارای P = 0.5 و در نتیجه a = 0.25
اغلب داده ها کاملا تصادفی نیستند.
برای مثال بیت های ارزش بالای یک عدد 64 بیتی که نشان دهنده مقدار پول موجود در حساب بانکی شماست در بیشتر موارد صفر می باشند.
گیت های ANDها و ORها دارای ضریب فعالیت کمتری هستند.
بستگی به طراحی دارد اما حدوداً: a ≈ 0.1
فصل پنجم : توان

17. تخمین ضریب فعالیت
احتمال خروجی گیت های مختلف بر اساس تابعی از احتمال ورودی
فصل پنجم : توان

18. مثال گیت AND 4 ورودی ساخاتار درختی و ساختار زنجیره ای
ضریب فعالیت هر گره مدار را با فرض احتمال ورودی ها برابر 0.5 بدست آورید؟
فصل پنجم : توان

19. گیت کردن کلاک ضریب فعالیت برای کلاک (a = 1)
بهترین روش برای کاهش ضریب فعالیت: خاموش کردن بلوک های بیکار با قطع کلاک
ضریب فعالیت برای کلاک (a = 1)
نیاز به برنامه ریزی داریم اگر بلوک هایی مورد استفاده باشد.
فصل پنجم : توان

20. گلیچ ها
گلیچ ها عامل مصرف توان اضافی سیستم
1101
0111
فصل پنجم : توان

21. خازن خازن گیت انتخاب طبقه های کمتر ترانزیستور های با اندازه کوچکتر
خازن سیم
کنار هم قرار دادن واحد هایی که اطلاعات زیادی با هم رد و بدل می کنند.
استفاده از وارونگرها و بافر ها بجای گیت های پیچیده برای درایو کردن سیم های طولانی برای کاهش مصرف انرژی
افزایش تاخیر
فصل پنجم : توان

22. تعیین اندازه گیت ها کاهش مصرف انرژی باعث افزایش تاخیر
هدف: مصالحه بین مصرف انرژی و مقدار تاخیر
فصل پنجم : توان

23. تعیین اندازه گیت ها
راه حل:
فصل پنجم : توان

24. ولتاژ تقسیم بندی تراشه به چندین حوزه ولتاژی کار در حالت اشباع سرعت
کاهش مقدار ولتاژ منبع تغذیه
احتمال کاهش کارایی مدار کم
کاهش ولتاژ و فرکانس کاری مدار با یک نسبت
کاهش توان مصرفی با توان سوم
فصل پنجم : توان

25. حوزه های ولتاژ
فصل پنجم : توان

26. تغییر مقیاس پویای ولتاژ (DVS)
فصل پنجم : توان

27. فرکانس یک تراشه نباید سریع تر از آنچه مورد نیاز است اجرا شود.
کاهش فرکانس
کاهش ولتاژ منبع تغذیه
کاهش اندازه ترانزیستورها
توان مهمتر از مساحت
کاهش بیشتر فرکانس
استفاده از توازی
معمولا واسط گذرگاه ریزپردازنده کندتر از هسته مرکزی
استفاده از چندین فرکانس کاری
فصل پنجم : توان

28. جریان اتصال کوتاه
هنگامی که هر دو شبکه بالابر و پایین بر بصورت جزئی روشن هستند.
مقدارش کمتر از 10 درصد توان کل می باشد.
از اثر این قسمت صرف نظر میکنیم.
Accurate Evaluation of CMOS Short-Circuit Power Dissipation for Short-Channel Devices- Patras & Thessaloniki, GREECE
On Short Circuit Power Estimation of CMOS Inverters- wang&vrudhula-Arizona
فصل پنجم : توان

29. مدارهای تشدید شده×
انتقال انرژی مابین عناصر ذخیره کننده برای جلوگیری از خالی شدن انرژی به زمین
مفید برای مدارات فرکانس ثابت مانند کلاک ها
نقش درایو کننده: جبران تلفات مقاومتی
عیوب: 1- بازه محدود فرکانس های کاری 2- دشواری ساخت یک سلف با کیفیت بالا
3 – خروجی سینوسی کلاک
× Resonant
فصل پنجم : توان

30. توان ایستا توان مصرف شده زمانی که تراشه تغییر حالت ندهد
Pstatic = (Isub + Igate + Ijunct + Icontention)VDD
جایگزینی فرآیند CMOS بجای فرآیند nMOS
جریان رقابتی صفر در فرآیند CMOS
منابع نشت:
:I1اتصال PN بایاس معکوس
:I2نشتی زیرآستانه
I3: تونلینگ گیت
I4 : تزریق حامل های گرم
I5 : نشتی از طریق القاء گیت- درین(GIDL)
فصل پنجم : توان

31. جریان نشتی زیر آستانه اگر: Vds > 50 mV
Ioff جریان زیرآستانه در Vgs = 0, Vds = VDD
شیب زیرآستانه : S
ضریبDIBL×: h
ضریب اثر بدنه : kg
مقادیر نوعی در تکنولوژی 65 nm
Ioff = 100 Vt = 0.3 V
Ioff = 10 nA/mm @ Vt = 0.4 V
Ioff = 1 nA/mm @ Vt = 0.5 V
h = 0.1
kg = 0.1
S = 100 mV/decade
× drain-induced barrier lowering
فصل پنجم : توان

32. اثر پشته ای × سری شدن چندین ترانزیستور کاهش جریان نشتی زیرآستانه
سری شدن چندین ترانزیستور کاهش جریان نشتی زیرآستانه
Vx > 0, بس N2 ,Vgsمنفی است
2 ترانزیستور سری : 10 برابر کاهش جریان زیر آستانه
برای ترانزیستورهای سری بیشتر کاهش جریان زیر آستانه بیشتر می شود.
× Stack Effect
فصل پنجم : توان

33. جریان نشتی گیت
فصل پنجم : توان

34. مثالی از جریان نشتی گیت در NAND
تکنولوژی 100 nm
Ign = 6.3 nA Igp = 0
Ioffn = 5.63 nA Ioffp = 9.3 nA
Data from [Lee03]
فصل پنجم : توان

35. جریان نشتی پیوندی
فصل پنجم : توان

36. تخمین توان ایستا - مثال
سوال: برآورد توان ایستا برای تراشه ای با یک میلیارد ترانزیستور؟
50 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در گیت های منطقی - عرض متوسط ترانزیستورها: l
950 میلیون ترانزیستور مورد استفاده در آرایه حافظه عرض متوسط ترانزیستورها: l
منبع ولتاژ: 1 ولتی تکنولوژی: 65 نانومتری طول کانال: 50 nm l = 25
جریان نشتی زیرآستانه
Vt نرمال nA/mm
Vt بزرگ 10 nA/mm
تمام ترانزیستور های حافظه و 95 درصد ترانزیستورهای منطقی با ولتاژ آستانه بالا کار می کنند.(مابقی با Vt نرمال کار می کنند)
جریان نشتی گیت 5 nA/mm
جریان نشتی پیوند قابل اغماض
فصل پنجم : توان

37. پاسخ
فصل پنجم : توان

38. گیت کردن توان
آسان ترین راه کاهش مصرف توان:قطع منبع تغذیه در بلوک های خفته
استفاده از VDDمجازی (VDDV)
گیت های خروجی : جلوگیری از ارسال سطح منطقی نامعتبر به بلوک بعدی
اندازه سوئیچ های فوقانی باید برای حداقل کردن اثرات منفی طراحی شود.
گذر میان حالت های خفته و فعال مصرف توان پویا
مقرون به صرفه زمانی که برای مدت طولانی بلوک به خواب برود.
فصل پنجم : توان

39. مثال طراحی - گیت کردن توان
یک حافظه نهان در فرآیند 65 نانو متری با مصرف توان متوسط 2 وات
سوال: یافتن عرض ترانزیستور فوقانی PMOS ؟
محدودیت: تاخیر سیستم بیشتر از 5 درصد افزایش نیابد.
راه حل:
فصل پنجم : توان

40. ضخامت های اکسید و ولتاژهای آستانه چندگانه
افزایش سرعت
ولتاژ آستانه پایین
مسیرهای بحرانی
کاهش جریان نشتی
ولتاژ آستانه بالا
مسیرهای عادی
افزایش ولتاژ آستانه
افزایش طول کانال
کاهش جریان نشتی گیت
افزایش ضخامت اکسید گیت
غیر مناسب برای کاربرد سریع
ضخامت کمتر برای ترانزیستورهای منطقی
ضخامت بیشتر برای ترانزیستورهای ورودی / خروجی
فصل پنجم : توان

41. ولتاژهای آستانه متغییر (VTCMOS)
تطبیق پویای ولتاژ آستانه ترانزیستور
اعمال بایاس بدنه
کاهش جریان نشتی
بایاس معکوس بدنه
در حالت خفته
افزایش سرعت
بایاس مستقیم بدنه
در حالت فعال
فصل پنجم : توان

42. توان تاخیر مجموع (PDP) کمیت خوبی برای سنجش کیفیت مدارات مختلف است.
انرژی مصرفی در هر عملیات
واحدش برحسب J
نکته: PDPمستقل از فرکانس است.
فصل پنجم : توان

43. طراحی براساس مینیموم انرژی-تاخیر
فصل پنجم : توان

44. معماری های توان پایین: توازی و ساختارهای لوله ای
فصل پنجم : توان

45. حالت های مدیریت توان
فصل پنجم : توان

46. بهینه سازی انرژی انرژی زمان طراحی مد خواب زمان کار فعال طراحی منطقی
منبع ولتاژ درجه بندی شده
سایزبندی ترانزیستور
منبع ولتاژ چندگانه
گیت کردن کلاک
تغییر مقیاس پویای ولتاژ
نشتی
اثر پشته ای
سایز بندی ترانزیستور
ولتاژ آستانه چند گانه
ولتاژ آستانه متغییر
کنترل ورودی
فصل پنجم : توان

47. مثال
فصل پنجم : توان

48. مثال
فصل پنجم : توان

49. فصل پنجم : توان