基于门控时钟技术的时钟树低功耗研究

以TSMC 40 nm工艺为基础,使用Synopsys最新布局布线工具ICCII进行时钟树综合.首先利用传统门控时钟技术来降低时钟树动态功耗,在此基础上,提出了一种有别于传统门控时钟技术的新方法.实验结果表明,传统门控时钟方法在两种不同的场景(scenario)下分别降低动态功耗75.36 mW和136.84 mW,虽然不同scenario降低的动态功耗值不同,但是降低功耗的效果是一样的,降低幅度均为22%.新方法又可以进一步降低34.05 mW的动态功耗,降低幅度为12.5%,低功耗效果显著.     

基于自适应门控时钟的CPU功耗优化和VLSI设计

提出了一种CPU的功耗优化方法,即通过自适应时钟门控来解决CPU中由于流水线阻塞、浮点处理器(FPU)和多媒体协处理器空闲所导致的动态功耗浪费.首先,设计了模块级自适应时钟门控单元,并通过芯片内部硬件电路来自动监测上述模块是否空闲,模块空闲时时钟关闭,从而消除了不需要的时钟翻转带来的模块内部动态功耗消耗.然后,将自适应时钟门控单元应用于国产处理器Unicore-2中,对其流水线阻塞、FPU和多媒体协处理器空闲的产生进行功耗优化.最后,基于TSMC 65 nm工艺下已流片芯片的网表和寄生参数文件,通过反标芯片的波形获得电路翻转率,并用Prime Time PX工具进行了功耗仿真.仿真结果表明,利用本方法运行Dhrystone,Whestone和Stream三个典型测试程序时可获得18%~28%的功耗收益,其面积代价可以忽略,并对CPU性能没有影响.     

CMOS电路的低功耗逻辑综合

针对CMOS电路的功耗来源提出了一种低功耗综合流程.这种综合流程在不改变原有电路设计的前提下同时采用了门控时钟、操作数隔离和门级功率优化来降低功耗.对一个PTC(PWM/Timer/Counter)控制器的仿真表明,这种流程可以降低电路功耗57%,与仅使用门控时钟的流程相比可以进一步降低电路功耗21%.     

频率2 GHz的16核处理器二级缓存设计

摘要：
提出了针对多核处理器的2级缓存L2 Cache设计方案,以高效地处理访存请求.采用优化的目录协议维护与1级缓存L1 Cache的数据一致性,并结合片上目录来维护L2 Cache之间及其与3级缓存L3 Cache之间的一致性;在L2 Cache设计中,提出了基于MESIA F的Cache一致性协议,实现了最早返回取数数据的短流水线设计;采用相关链和远程链机制解决了监听应答导致的死锁问题;通过基于流水线的睡眠与唤醒技术降低了漏流功耗;通过细粒度门控时钟降低了其动态功耗.后端设计结果表明,经过优化设计的L2 Cache达到了频率2 GHz的设计目标,并已成功应用于某16核处理器芯片. 关键词：
中图分类号： 文献标志码： A     

0.8V低功耗高速1∶2分频器

采用UMC0.13μm CMOS标准工艺,设计并实现了一种最高工作频率为17GHz的1∶2分频器芯片.该芯片由基本分频器单元和输入输出缓冲组成.设计中为使分频器在低电源电压下正常工作,通过分析不同高速锁存器的结构特点,选择单端动态负载锁存器作为基本分频器单元.对单端动态负载锁存器进行直流分析可知,降低电源电压对采样模式的影响比保持模式大.在片测试结果表明:芯片电源电压最低可达0.8V;当电源电压为0.8V时,芯片在3～17GHz频率范围内正常工作;当输入信号频率分别为3和17GHz时,在10MHz频偏处,输出信号的相位噪声分别为-124.44和-120.62dBc/Hz.芯片面积为412μm×338μm,总功耗为3.84mW.     

一种带有迟滞比较器的新型RC振荡器

为了提高振荡器对电源电压波动的抑制能力,在分析传统振荡器的基础之上,提出一种新型的RC比较器,该新型电路采用迟滞窗口可变的迟滞比较器,可以降低电路对电源变化的敏感性。其中比较器可以根据电源电压的变化动态改变迟滞窗口的位置,保证比较器正常工作,从而达到降低电路对电源变化敏感性的目的。基于上华工艺,完成对电路的仿真和流片测试工作。仿真测试结果表明振荡器受电源电压波动影响较小可以提供稳定的频率。电路用于实际芯片设计中,能够满足芯片的工作要求为芯片提供稳定时钟。     

一种低功耗时钟树综合的寄存器聚类方法

随着集成电路制造工艺的进步与芯片集成度的提升，对于低功耗芯片的需求越来越大.时钟网络功耗占芯片总功耗的 40%以上，优化时钟网络的功耗已成为高性能集成电路设计中最重要的目标之一.本文提出了一种新的寄存器聚类方法来生成时钟树的叶级拓扑结构，通过限制群组的扇出、负载和范围，对寄存器进行合理分组，减少了缓冲器的插入数目和总布线长度，有效降低时钟网络功耗.将该方法整合到传统的时钟树综合（CTS）流程中，在ISCAS89 基准电路上测试并分析其有效性.实验结果表明，该寄存器聚类方法在不影响时钟树最大延时的情况下，有效减少了时钟网络20%以上的功率耗散和20%以上的时钟偏移.     

应用于低功耗嵌入式处理器的功耗动态管理策略设计

为了降低嵌入式应用系统的功耗和成本,设计实现了一种应用于低功耗嵌入式处理器的功耗动态管理策略.该功耗动态管理策略包括多工作模式切换、动态频率调节、动态电压调节和快速可变的电压供给单元全集成,在满足功能和性能要求的基础上,根据处理器执行任务的需求变化,切换处理器的工作模式,动态调节工作频率与工作电压,降低功耗;快速可变的电压供给单元也集成于处理器中,支持工作电压的实时快速调节,降低系统成本.基于嵌入式应用系统样机的验证结果表明,应用系统执行不同的进程任务时,功耗均有效下降.在嵌入式应用系统中采用该功耗动态管理策略,能够有效降低系统的功耗与成本.     

一种低功耗时钟芯片的设计

讨论了一种低功耗时钟芯片的设计，从CMOS电路功耗产生原因入手，在振荡分频电路中减小电路工作电压，在时序电路中采用门控技术，达到降低功耗的目的，经流片后测试表明该芯片工作电流0．17mA，满足低功耗要求。     

低功耗全流水线JPEG-LS无损图像编码器的VLSI设计

针对JPEG无损/准无损图像压缩标准(JPEG-LS)本身不利于并行计算和低功耗应用的问题,提出了一种JPEG-LS无损图像编码器的超大规模集成电路(VLSI)实现结构。它从功能上分为4部分:模式判别模块;时钟控制器;3条并行流水线;两级数据聚合器。这些模块以全流水线结构组织运算,能够达到实时图像处理的目的。4时钟域交叉并存,并包含专用时钟控制器的时钟管理机制,既保证瓶颈运算的进行,又能及时关断空闲模块的时钟,该措施使平均功耗降低了15.7%。该文提出的JPEG-LS编码器具有低功耗、高速图像处理的特征,已被应用于无线内窥镜系统。     

一种具有新型时钟产生器的无源超高频RFID标签

给出一种符合ISO/IEC 18000-6B协议的超低功耗的无源超高频RFID标签.为了能够给标签数字基带处理提供准确的时钟,使用了一种超低功耗、自校正的时钟产生器,产生的时钟在-50℃～120℃或者0.7～1.6 V 电源电压的范围内,偏差小于4%.此自校正时钟模块的功耗在0.7 V的电源电压下仅为364 nW.一个...     

一种用于RFID的基于广义二进制Hessian曲线的密码处理器的实现

针对射频识别(RFID)芯片面积和能量资源极其有限的特点, 设计实现了一种基于广义二进制Hessian曲线(GBHC)的椭圆曲线密码(ECC)处理器。在算法上采用Montgomery Ladder点乘算法和 w坐标法, 以优化加速运算时序, 在结构上精细设计循环移位寄存器组和门控时钟, 以降低面积和能量消耗。实验表明, 在保证安全精度不变的情况下, 所实现的密码处理器具有较快的运算速度、极小的芯片面积和超低的能量消耗, 并能抵抗简单功耗分析(SPA)等侧信道攻击(SCA)。     

Design and implementation of a DSP with multi-level low power strategies for cochlear implants

This paper presents the design and implementation of a low power digital signal processor(THUCID-SP-1)targeting at application for cochlear implants.Multi-level low power strategies including algorithmoptimization,operand isolation,clock gating and memory partitioning are adopted in the processor designto reduce the power consumption.Experimental results show that the complexity of the Continuous Inter-leaved Sampling(CIS)algorithm is reduced by more than 80% and the power dissipation of the hardwarealo...     

Probabilistic Delay Fault Model for DVFS Circuits

Decreasing the power supply voltage in dynamic voltage frequency scaling to save power consumption may introduce extra delays in CMOS circuits, which may cause errors. This paper presents the probabilistic delay fault model (PDFM), which describes the probability of an error occurring as a function of the power supply voltage and the clock period in synchronous CMOS circuits. In a wide range of applications (graphic, video, digital filtering, etc.), errors occurring with low probability and not remaining for a long time are acceptable. For combinational circuits which have long critical paths with low probability of excitation, a performance increase is achieved with a certain rate of errors determined by the PDFM compared with the traditional design which considers the worst case. The PDFM applied to array multipliers and ripple carry adders shows the agreement of the predicted probabilities with simulated delay histograms to support the practicality of using the PDFM to select power supply voltage and clock period in dynamic voltage frequency scaling circuits with tolerable error rates.     

基于单片机的三相多功能电表设计

三相电早已深入到人们社会生活的方方面面，笔者从硬件电路设计，软件程序设计等多方面设计基于ATT7022B芯片的三相电多功能电表．实现对三相电电压，电流，有功电能，无功电能，有功功率，无功功率，电网频率，相序等多个三相电参数的测量，并通过485通信实现远程监控功能．具备时钟与存储功能，实现了参数的实时记录．该表的非线性测量误差小于0．1％．     

异步电路的低功耗状态机AFSM的设计与实现

基于CMOS低功耗门控技术,设计了一种应用于ASIC中的异步状态机(AFSM).关键是将原始的同步状态机分解为若干个能够相互通信的子状态机,提高子状态机的自循环率,进而通过异步控制子状态机,达到降低功耗的目的.将该思想应用于VLSI设计实例,证明了采用这种异步状态机设计能够有效节省片上系统(SoC)的功耗最高达25%以上,并且不会过多地增加芯片面积.     

用于单片集成真空传感器的SAR型ADC设计

设计了一款适用于单芯片集成真空传感器的10位SAR型A/D转换器.轨至轨比较器通过并联两个互补的子比较器实现.信号采样时,比较器进行失调消除,提高电路的转换精度.电路采用0.5μm2P3M标准CMOS工艺制作.系统时钟频率为20MHz,输入电压范围为0～3V.在1.25MS/s采样率和4.6kHz信号输入频率下,电路的信噪比为56.4dB,无杂散动态范围为69.2dB.芯片面积为2mm2.3V电源电压供电时,功耗为3.1mW.其性能已达到高线性度和低功耗的设计要求.     

适用于4通道100 Gbps SerDes的两级架构正交12.5 GHz低功耗低抖动时钟发生器

为了缓解多通道SerDes中高频时钟信号在长距离传输中引入的噪声过大和功耗过高的问题,设计了一种应用于多通道的低功耗低抖动两级锁相环结构;同时为了进一步降低噪声性能,在第2级锁相环中设计了一种采样鉴相器。该设计将第1级LC振荡器锁相环产生的低频时钟信号（3.125 GHz）传输到各通道收发机后,将该信号作为第2级参考信号,再采用小面积的环形振荡器锁相环产生正交的高频时钟 (12.5 GHz),这种结构降低了高频时钟在片上长距离传输的距离,提高了收发机的时钟质量;此外该技术避免了使用高频缓冲器,降低了功耗。其中第2级锁相环通过无分频鉴相技术提高了第2级环振锁相环的噪声性能。该时钟发生器电路整体功耗为100 mW,第1级锁相环相位噪声拟合后为-115 dBc/Hz,第2级环形振荡器电路在1 MHz处相位噪声为-79 dBc/Hz,锁相环电路产生的时钟信号整体抖动为2.7 ps。正交时钟偏差在300 fs以内。相比传统时钟发生器,该设计性能有较大提高,功耗有明显降低,适合应用于100 Gbps SerDes中。     

Design of Low-Power Modern Radar SoC Based on ASIX

With the rapid development in spaceflights and aeroplanes, the demand for low-power and miniaturization techniques has become insistent in modern radar systems. A new framework for low-power modern radar System on a Chip （SoC） based on ASIX core is presented. Pivotal modules and low-power design flows are described in detail. The dynamic clock-distribution mechanism of the power management module and the influence of the chip power are both stressed. This design adopts the SMIC 0.18-μm 1P6M Salicide CMOS process, the area is 7.825 mm x 7.820 mm, there are approximately 2 million gates and the frequency is 100 MHz. The results show that the modern radar SoC passes the test on modern radar application system and meets the design requirements. The chip incurs power savings of 42.79% during the fore-end phase and 12.77% during the back-end phase. The total power is less than 350 mW for a 100-MHz operating environment.     

智能交流电综合测试仪

介绍了以 5 1系列单片机为核心的测试仪 ,可测量交直流电压、交直流电流、功率、失真度、频率等参数。在一个周期内多次采样 ,经过傅立叶变换FFT算法 ,获得电压、电流值 ,进而求得功率、失真度。提出了测量交流电频率和功率因素的新方法 :用T0门控计数方式 ,配合INT0中断 ,测量交流电的过零脉冲的周期 ,可测出频率 ;用同样方法 ,再加入INT1中断 ,测量交流电电压过零和电流过零的间隔时间即可测得功率因素。此测试仪测量方法新颖 ,测量精度较高。测试仪与PC机联机后 ,配上专用软件包可完成记忆示波器的一般功能