片上多核处理器的结构级功耗建模与优化技术研究

功耗是导致片上多核处理器出现故障的重要诱因,也是片上多核处理器设计的重要制约因素．如何降低多核处理器的功耗并提高处理器能量效率,具有很大的研究意义与探索空间．文中主要从体系结构设计者的角度,并结合电路实现,研究并总结纳米级工艺下片上多核处理器的功耗建模与评估方法,及其不同构件的低功耗优化技术．通过提出创新高效的多核处理器结构级功耗评估方法及其模拟平台,提高多核结构功耗模拟的准确性与灵活性,并以此为依托,开展处理器核、片上网络、片上存储及其一致性协议的各方面优化,寻求提高多核处理器功耗有效性的微体系结构,为国产多核处理器的低功耗设计提供一定借鉴与参考．     

高电源噪声抑制比带隙基准源设计

采用CSMC 0.35μm工艺,通过在电源和带隙基准源电路间插入电流源缓冲级的方法,设计提高带隙基准源电源噪声抑制能力的带隙基准源.在最低工作电压不变的情况下,所设计的带隙基准电源大幅度提高了电路的电源抑制比,且功耗低.仿真结果表明:电源抑制比值为110dB/40dB,Iq=12μA,Vmin=2.4V,可作为模拟IP(知识产权)且易集成于单片系统中.     

适用于超高频RFID无源标签的AES算法实现

分析了用于高安全性应用的EPC Gen2电子标签对安全算法实现的约束,在此基础上提出了一种AES算法的低功耗硬件实现方案.该方案中采用了单S盒设计,使用同一个数据通路实现了加密和解密的流程,减小了硬件资源开销.仿真结果表明电路总的门数为4 952门,可以在204个时钟周期内完成128 bit数据的加密或解密,满足安全标签的设计需求.     

低功耗直接衬底耦合QVCO的分析与设计

设计了一款基于TSMC 0.13μm CMOS工艺实现的低功耗低相位噪声、直接衬底耦合形式的正交压控振荡器(QVCO).该QVCO采用电容抽头技术、丙类操作状态和衬底耦合技术,降低电路的功耗和面积.最终版图后仿真结果表明:该QVCO在仅消耗2 m W的情况下,在载频6 GHz处,相位噪声达到-119.11d Bc/Hz@1MHz.     

基于多级放大结构的高速低功耗时间数字转换器设计

提出一种多级放大时间数字转换器新型结构。该结构由粗测和细测组成, 粗测部分利用延时链得到小于一个延时单元的关键余量, 并设计了面积小、功耗低的关键余量选择逻辑。细测部分, 利用两倍时间放大器和过半判断器从高位到低位依次产生4位二进制码。在SMIC 65 nm工艺下仿真, 新型结构的分辨率为1.44 ps, 量程为736 ps, 转换速度可达470 MS/s, 在100 MHz频率下, 平均功耗仅为1.3 mW。对两倍时间放大器设计了校准电路, 提高了抵抗PVT的能力, 得到良好的积分非线性。     

用于低功耗的动态可重构cache结构

提出一种针对嵌入式应用的动态cache重构管理机制.根据应用程序的不同,它能在一定范围内自动搜索,并快速决定出与当前程序最佳匹配的cache结构,然后系统根据最佳匹配结果重新配置cache的3个典型参数:容量、块大小和关联度.实验证明:相对于传统结构,动态可重构cache在不损失性能的前提下,取得了很好的降低系统功耗的效果.     

用于植入式医疗设备的低功耗低位逐次逼近型模数转换器

针对植入式医疗设备中关键模块模数转换器(ADC)的超低功耗设计问题,以低功耗的逐次逼近型ADC为基础,提出了低位逐次逼近量化逻辑的模数转换器。量化逻辑主要用于以心电信号为代表的低活动度生物信号,在采用固定分辨率和采样率的情况下,根据信号的变化幅度调整量化次数,以达到降低功耗和压缩数据量的目的,在信号处于基线或缓变间期最少只需要3次量化就可以得到ADC转换结果。采用Global Foundry 0.18m标准CMOS工艺对该ADC进行了电路和版图设计,仿真结果显示,在1.8V的电源电压和1kHz的采样率下,ADC的有效位为9.6b,核心电路平均电流功耗为64～131nA。该低位逐次逼近模数转换器特别适合应用于植入或可穿戴医疗设备中低活动度生物信号的模数转换,在保证量化精度的同时显著降低了ADC的功耗。     

基于体域网的矿工生命体征监测与运动状态识别

提出提出一种基于小波包与随机森林的矿工运动状态识别算法MSR-WPT-RF，用于监测矿工生命体征，识别运动状态.实验测试结果表明，构建的矿工体域网生命体征采集节点具有低功耗性能、丢包率低、时延低等优点，运动状态识别算法能够取得最高91%的识别准确率.     

一种可重构有源滤波器芯片设计

近年来,多模多带收发机的研究成为了研究热点,而软件定义无线电系统是一个很好的候选方案.为了减小带外干扰对软件无线电系统收发机性能产生的负面影响,提出了一个可调带宽、可调增益的高带外抑制中频滤波器（1）.该滤波器由双二次Gm-C滤波器、增益提高级、5阶椭圆滤波器组成.滤波器增益的调节通过双二次Gm-C滤波器和增益提高级实现,带宽的调节通过开关电容阵列实现.同时,为了提高带外抑制,增加了一级5阶椭圆滤波器.后仿真结果表明,滤波器带宽在1 MHz～30 MHz可调, 2倍带宽频率的带外抑制最小值达到了44.56 dB,增益控制范围为–20 dB～20 dB,模拟部分的功耗和核心面积分别为5.1 mW和1.23 mm².提出的滤波器可适用于多种模式通信设备中的模拟前端.     

基于nRF24LE1的高压开关柜动静触头无线温度监测系统设计

介绍了利用nRF24LE1无线收发芯片,实现对高压开关柜触头的温度监控,其测温终端直接安装在高压带电部分,实现等电位工作,实测温度通过无线方式传输给监测主机,解决了高压绝缘问题;整套监测系统由温度监测终端、监测主机和系统PC机构成,实现了高压触头温度的实时监测,保证了电力高压开关的可靠运行.