يعد تصميم الرقائق أحد أولويات التطوير لكل بلد ، وسيساعد توسيع صناعة تصميم الرقائق في الصين على تقليل اعتماد بلدي على الرقائق الأجنبية. في المقالات السابقة ، قدم المحرر ذات مرة التدفق الأمامي والعكسي لتصميم الرقاقة وآفاق تصميم الرقاقة. في هذه المقالة ، سيقدم لك المحرر فصل تصميم الرقاقة الفعلي - تحسين وتحقيق استهلاك طاقة شجرة الساعة في تصميم رقاقة RFID.
نظرة عامة 1
UHF RFID عبارة عن شريحة تعريف تردد الراديو UHF. تعتمد الشريحة على وضع مصدر طاقة سلبي: بعد تلقي طاقة الناقل ، تولد الوحدة الأمامية RF إشارة طاقة Vdd لتزويد الشريحة بأكملها للعمل. نظرًا للقيود المفروضة على نظام إمداد الطاقة ، لا يمكن للرقاقة توليد محرك تيار كبير ، لذلك أصبح تصميم الطاقة المنخفضة إنجازًا كبيرًا في عملية تطوير الرقاقة. من أجل جعل جزء الدائرة الرقمية ينتج أقل قدر ممكن من استهلاك الطاقة ، في عملية تصميم دائرة المنطق الرقمي ، بالإضافة إلى تبسيط بنية النظام (وظائف بسيطة ، تحتوي فقط على وحدة التشفير ، ووحدة فك التشفير ، ووحدة توليد الأرقام العشوائية ، والساعة ، وحدة إعادة التعيين ، وحدة التحكم في الذاكرة بالإضافة إلى وحدة التحكم الشاملة) ، تم اعتماد تصميم الدائرة غير المتزامن في تصميم بعض الدوائر. في هذه العملية ، رأينا أنه نظرًا لأن شجرة الساعة تستهلك جزءًا كبيرًا من استهلاك الطاقة للمنطق الرقمي (حوالي 30٪ أو أكثر) ، فقد أصبح تقليل استهلاك الطاقة لشجرة الساعة أيضًا انخفاضًا في استهلاك الطاقة في المنطق الرقمي وقوة شريحة العلامة بأكملها. خطوة مهمة للاستهلاك.
2 تكوين الطاقة رقاقة وطرق للحد من استهلاك الطاقة
2.1 تكوين استهلاك الطاقة
الشكل 1 الشكل XNUMX تكوين رقاقة استهلاك الطاقة
يشمل استهلاك الطاقة الديناميكي بشكل أساسي استهلاك طاقة ماس كهربائى واستهلاك طاقة متقلب ، وهما المكونات الرئيسية لاستهلاك الطاقة لهذا التصميم. استهلاك طاقة الدائرة القصيرة هو استهلاك الطاقة الداخلي ، والذي ينتج عن ماس كهربائي فوري ناتج عن الأنبوب P وأنبوب N الذي يتم تشغيله في لحظة معينة في الجهاز. ينتج استهلاك طاقة الدوران عن شحن وتفريغ سعة الحمل عند خرج جهاز CMOS. يشمل استهلاك الطاقة المتسرب بشكل أساسي استهلاك الطاقة الناتج عن تسرب العتبة الفرعية وتسرب البوابة.
اليوم ، أهم مصدرين لاستهلاك الطاقة هما: تحويل السعة وتسرب العتبة الفرعية.
2.2 الطرق الرئيسية لتقليل استهلاك الطاقة
الشكل 2 الشكل XNUMX الطرق الرئيسية لتقليل استهلاك طاقة الرقاقة
2.2.1 تقليل جهد إمداد الطاقة Vdd
جزيرة الجهد: تستخدم الوحدات النمطية المختلفة الفولتية المختلفة لإمداد الطاقة.
مقياس الجهد على مستوى MulTI: توجد مصادر جهد متعددة في نفس الوحدة. قم بالتبديل بين مصادر الجهد هذه وفقًا للتطبيقات المختلفة.
تحجيم تردد الجهد الديناميكي: نسخة مطورة من "تعديل الجهد متعدد المستويات" ، والذي يقوم بضبط الجهد ديناميكيًا وفقًا لتردد العمل لكل وحدة.
AdapTIve Voltage Scaling: نسخة مطورة من DVFS تستخدم دائرة تغذية مرتدة يمكنها مراقبة سلوك الدائرة لضبط الجهد بشكل تكيفي.
دائرة عتبة فرعية (التصميم أكثر صعوبة ، ولا يزال في نطاق البحث الأكاديمي)
2.2.2 تقليل التردد f ومعدل الدوران أ
تحسين الكود (استخراج العوامل المشتركة ، وإعادة استخدام الموارد ، والمعامل isolaTIon ، والعمل التسلسلي لتقليل ذروة استهلاك الطاقة ، وما إلى ذلك)
الساعة المسورة
استراتيجية متعددة الساعات
2.2.3 تقليل سعة الحمل (CL) وحجم الترانزستور (Wmos)
تقليل الوحدات المتسلسلة
منطقة الرقاقة وتقليل الحجم
ترقية العملية
2.2.4 تقليل التسرب الحالي Ileak
جهد عتبة التحكم (جهد العتبة) (جهد العتبة ↑ تيار التسرب ↓ في حالة استخدام MTCMOS و VTCMOS و DTCMOS)
التحكم في جهد البوابة (جهد البوابة) (عن طريق التحكم في جهد مصدر البوابة للتحكم في تيار التسرب)
مكدس الترانزستور (قم بتوصيل الترانزستورات الزائدة في سلسلة ، وزيادة المقاومة لتقليل تيار التسرب)
مزود الطاقة المسور (Power gaTIng أو PSO) (عندما لا تعمل الوحدة ، قم بإيقاف تشغيل الطاقة لتقليل تيار التسرب بشكل فعال)
3 تحسين استهلاك طاقة شجرة الساعة في شريحة RFID
عندما تعمل الشريحة ، يرجع جزء كبير من استهلاك الطاقة إلى معدل دوران شبكة الساعة. إذا كانت شبكة الساعة كبيرة ، فسيكون فقد الطاقة الناتج عن هذا الجزء كبيرًا جدًا. من بين العديد من التقنيات منخفضة الطاقة ، فإن للساعة ذات البوابات تأثير ضبط النفس الأقوى على استهلاك الطاقة واستهلاك الطاقة الداخلي. في هذا التصميم ، يوفر الجمع بين تقنية الساعة ذات البوابات متعددة المستويات واستراتيجية تحسين شجرة الساعة الخاصة جزءًا كبيرًا من استهلاك الطاقة. استخدم هذا المشروع مجموعة متنوعة من استراتيجيات التحسين لاستهلاك الطاقة في التصميم المنطقي ، وجرب بعض الطرق في التوليف الخلفي والتصميم المادي. من خلال العديد من عمليات تحسين الطاقة والتكرار في النهايتين الأمامية والخلفية ، تم العثور على تصميم الرمز المنطقي والحد الأدنى من استهلاك الطاقة نهج متكامل.
4.1 إضافة بوابة الساعة يدويًا في مرحلة RTL
الشكل 3 الشكل XNUMX رسم تخطيطي لساعة بوابات
وحدة data_reg (En ، بيانات ، clk ، خارج)
إدخال En ، clk ؛
المدخلات [7: 0] البيانات ؛
الإخراج [7: 0] خارج؛
دائما @ (posedge clk)
إذا (En) out = البيانات ؛
endmodule
الغرض من هذه المرحلة هو بشكل أساسي ذو شقين: الأول هو إضافة وحدة ساعة مسورة للتحكم في معدل الدوران وتقليل استهلاك الطاقة الديناميكي بشكل أكثر منطقية وفقًا لاحتمال دوران الساعة لكل وحدة. والثاني هو إنتاج شبكة على مدار الساعة بهيكل متوازن قدر الإمكان. يمكن ضمان إضافة بعض المخازن المؤقتة للساعة في مرحلة التوليف لشجرة الساعة الخلفية لتقليل استهلاك الطاقة. يمكن استخدام وحدة ICG (البوابة المتكاملة) في مكتبة خلايا المسبك مباشرةً في تصميم الكود الفعلي.
4.2 يتم إدخال الأدوات في مرحلة التوليف في البوابة المتكاملة
الشكل 4 الشكل XNUMX إدخال الساعة ذات البوابات أثناء التوليف المنطقي
# تعيين خيارات بوابة الساعة ، max_fanout الافتراضي غير محدود
set_clock_gating_style - مزلاج تسلسل الخلية \
-positive_edge_logic {متكامل} \
-control_point قبل \
-control_signal scan_enable
# إنشاء شجرة ساعة أكثر توازناً عن طريق إدراج مجموعات ICG "الممكّنة دائمًا"
اضبط power_cg_all_registers الصحيح
اضبط power_remove_redundant_clock_gates على صواب
read_db design.gtech.db
Current_design أعلى
الصفحة
تصميم المصدر. cstr.tcl
# أدخل بوابة الساعة
Insert_clock_gating
جمع
# إنشاء تقرير عن بوابة الساعة المدرجة
report_clock_gating
الغرض من هذه المرحلة هو استخدام الأداة المدمجة (DC) لإدخال الوحدة المسورة تلقائيًا من أجل تقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر.
وتجدر الإشارة إلى أن إعدادات المعلمات الخاصة بإدخال ICG ، مثل الحد الأقصى للتوزيع (كلما زاد حجم التوسيع ، زاد توفير الطاقة ، كلما كان التوزيع أكثر توازناً ، كلما كان الانحراف أصغر ، حسب التصميم ، كما هو موضح في الشكل) بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري إدخال ICG مفتوح عادة لهياكل التحكم في البوابة الأكثر تعقيدًا لجعل بنية شبكة الساعة أكثر توازناً.
4.3 تحسين استهلاك الطاقة في مرحلة تركيب شجرة الساعة
الشكل 5 مقارنة بين هيكلين من شجرة الساعة (أ): نوع عمق متعدد المستويات ؛ (ب): نوع مسطح قليل المستويات
قدم أولاً تأثير المعلمات الشاملة لشجرة الساعة على هيكل شجرة الساعة:
الانحراف: انحراف الساعة ، الهدف العام لشجرة الساعة.
تأخير الإدراج (الكمون): التأخير الكلي لمسار الساعة ، ويستخدم للحد من الزيادة في عدد مستويات شجرة الساعة.
Max taranstion: الحد الأقصى لوقت التحويل يحد من عدد المخازن المؤقتة التي يمكن أن يقودها المخزن المؤقت من المستوى الأول.
Max Capacitance Max Fanout: السعة القصوى للحمل والحد الأقصى للتدفق يحدان من عدد المخازن المؤقتة التي يمكن تشغيلها بواسطة المخزن المؤقت من المستوى الأول
الهدف النهائي من تركيب شجرة الساعة في التصميم العام هو تقليل انحراف الساعة. ستؤدي زيادة عدد المستويات وتقليل كل مستوى من مستويات التوزيع إلى استثمار المزيد من المخازن المؤقتة وزيادة دقة موازنة زمن الوصول لكل مسار على مدار الساعة للحصول على انحراف أصغر. ولكن بالنسبة للتصميم منخفض الطاقة ، خاصةً عندما يكون تردد الساعة منخفضًا ، فإن متطلبات التوقيت ليست عالية جدًا ، لذلك من المأمول أن يتم تقليل حجم شجرة الساعة لتقليل استهلاك طاقة التبديل الديناميكي الناتج عن شجرة الساعة. كما هو مبين في الشكل ، من خلال تقليل عدد مستويات شجرة الساعة وزيادة الانتشار ، يمكن تقليل حجم شجرة الساعة بشكل فعال. ومع ذلك ، نظرًا لانخفاض عدد المخازن المؤقتة ، فإن شجرة ساعة ذات عدد أقل من المستويات من شجرة ساعة متعددة المستويات فقط توازن تقريبًا زمن الوصول لكل مسار ساعة ، واحصل على انحراف أكبر. يمكن ملاحظة أنه بهدف تقليل مقياس شجرة الساعة ، يكون تركيب شجرة الساعة منخفضة الطاقة على حساب زيادة انحراف معين.
على وجه التحديد لشريحة RFID هذه ، نستخدم عملية TSMC 0.18um CMOS LOGIC / MS / RF ، وتردد الساعة هو 1.92M فقط ، وهو منخفض جدًا. في هذا الوقت ، عندما يتم استخدام الساعة لتركيب شجرة الساعة ، يتم استخدام الساعة المنخفضة لتقليل مقياس شجرة الساعة. يحدد تركيب شجرة ساعة استهلاك الطاقة بشكل أساسي قيود الانحراف والكمون والعبور. نظرًا لأن تقييد التوزيع سيؤدي إلى زيادة عدد مستويات شجرة الساعة وزيادة استهلاك الطاقة ، لم يتم تعيين هذه القيمة. القيمة الافتراضية في المكتبة. في الممارسة العملية ، استخدمنا 9 قيود مختلفة لشجرة الساعة ، والقيود والنتائج الشاملة موضحة في الجدول 1.
5 الخاتمة
كما هو موضح في الجدول 1 ، فإن الاتجاه العام هو أنه كلما كان الانحراف المستهدف أكبر ، كلما كان حجم شجرة الساعة النهائي أصغر ، وكلما قل عدد المخازن المؤقتة لشجرة الساعة ، وصغر استهلاك الطاقة الديناميكي والثابت المقابل. هذا سيوفر شجرة الساعة. الغرض من الاستهلاك. يمكن ملاحظة أنه عندما يكون الانحراف المستهدف أكبر من 10 نانوثانية ، فإن استهلاك الطاقة لا يتغير بشكل أساسي ، ولكن قيمة الانحراف الكبيرة ستؤدي إلى تدهور توقيت التعليق وزيادة عدد المخازن المؤقتة التي يتم إدخالها عند إصلاح التوقيت ، لذلك يجب تقديم حل وسط. من المخطط الإستراتيجي 5 والاستراتيجية 6 هما الحلان المفضلان. بالإضافة إلى ذلك ، عند تحديد إعداد الانحراف الأمثل ، يمكنك أيضًا ملاحظة أنه كلما زادت قيمة الحد الأقصى للانتقال ، انخفض استهلاك الطاقة النهائي. يمكن فهم ذلك على أنه كلما زاد وقت انتقال إشارة الساعة ، قلت الطاقة المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تكبير إعداد قيد زمن الانتقال قدر الإمكان ، وقيمته لها تأثير ضئيل على النتيجة النهائية لاستهلاك الطاقة.
لدينا غيرها من المنتجات:
