CC BY
4проектирование элементной базы электроники специального назначения, ПЛМ, системы -на-кристалле.
Ятманов Александр Павлович - начальник отдела НИИ измерительных систем (г. Нижний Новгород). Область научных интересов: разработка и моделирование технологических процессов и интегральных приборов, моделирование элементной базы радиационно стойких БИС.
УДК 621.3.049.779
Анализ энергопотребления элементов конденсаторно-транзисторной логики методами приборно-технологического моделирования
А.В.Николаев
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Существенное влияние на характеристики элементов конденсаторно-транзисторной логики (КТЛ) оказывает структура емкости. Методология проектирования и исследование схемотехнических устройств на КТЛ-элементах рассматривались ранее . В настоящей работе анализируется одна из возможных физических реализаций конденсаторно-транзисторной структуры с помощью двумерного технологического моделирования в среде Synopsys TCAD 10.0.
Одним из наиболее важных преимуществ КТЛ-элементов по сравнению с КМОП-вентилями является их высокая технологичность (меньшее, по сравнению с КМОП, число масок), что удешевляет производство. Для того чтобы максимально сохранить это преимущество, рассмотрим технологически наиболее простую структуру конденсатора на основе МОП-транзистора. Базовый вентиль с такой структурой представлен на рис.1. Таким образом, весь КТЛ-элемент (блок «-канальных транзисторов, определяющих логику, и емкостной элемент) выполняется в едином технологическом процессе. По результатам схемотехнической оптимизации параметров МОП-емкости для базовой технологии, использованной в данном исследовании (это типичная технология 0,18 мкм модели BSIM 3.2), по уровню выходной амплитуды и
площади элемента выбраны следующие значения параметров: МОП-емкость - длина канала 0,5 мкм, ширина 1,5 мкм; переключающий п-канальный транзистор - длина канала 0,18 мкм, ширина 0,5 мкм. При этих размерах уровень выходного сигнала составил по расчетам 60% от уровня питания.
На рис.2,а,б приведены результаты технологического моделирования (распределение примесей) структур КТЛ-элемента и аналогичного ему по функции (инверсия) КМОП-вентиля. Как видно из рис.2,а, сток транзистора, выполняющего функции конденсатора, и исток переключающего транзистора объединены для уменьшения общей площади элемента. Из сравнения структур становятся очевидными технологические преимущества КТЛ-элементов - они имеют более простую физическую структуру и большие возможности по уплотнению топологии.
Кремлев В.Я., Крупкина Т.Ю., Николаев А.В. Построение цифровых схем на основе элементов конденсатор-но-транзисторного типа // Изв. вузов. Электроника. - № 1. - 2008. - С. 56-62.
© А.В.Николаев, 2010
Питание
_£JT.
Вход
J
Выход
Контроль
Рис.1. Базовый вентиль конденсаторно-транзисторного типа с МОП-емкостью
Переключающий МОП-емкость транзистор
§ 3 Я ЯП ЯВ !89 ИЗ 5 ЯП 39 ЕЯ 83 ИЗ ЯП
• О.7 ».4 9.1 О.» I |.г ».4 1.9 2 7.7 7.4
I—'I-Г—1 "I-¥-1 т-| ~ —|—| -
14 I и 1<ии I и и и и • >1 >• и и •
ИтI—1г-~1»-г1 - Г-Н- ■
а б
Рис.2. Фронтальное сечение физических структур: а - базовый КТЛ-вентиль; б - КМОП-инвертор с двумя карманами и изоляцией локальным окислом
Для исследования электрических характеристик полученных физических структур использованы средства численного моделирования среды TCAD на приборном уровне. В КТЛ-инверторе «виртуально» закорочены сток и исток транзистора, выполняющего функции конденсатора, и на выход нагружена идеальная емкость в 2 фФ. Шаг сетки структур для моделирования составляет не более 0,002 мкм. Полученный элемент с точки зрения электрической схемы полностью эквивалентен исследовавшемуся ранее на схемотехническом уровне инвертору. В рамках функциональной верификации исследована зависимость величины амплитуды выходного напряжения от параметров МОП-емкости (аналогично ранее проведенным схемотехническим расчетам). Значения амплитуды, полученные при помощи физического моделирования, на 6-7% меньше рассчитанных при схемотехническом моделировании. При этом значения амплитуд паразитных всплесков, появляющихся при формировании напряжения логического нуля, значительно меньше ожидаемых. Такие расхождения с результатами схемотехнического моделирования могут быть объяснены тем, что в самосовмещенной структуре уменьшены паразитные емкости и, следовательно, паразитные всплески, однако и величина МОП-емкости также уменьшилась, что сказалось на уровне логической единицы. Данный эффект может существенно влиять на работоспособность схем. При дальнейшем исследовании видно, что с увеличением величины питающего напряжения процентное соотношение амплитуды выходного и питающего напряжений почти не меняется. Таким образом, в результате технологического моделирования показано, что, варьируя параметры базового вентиля, можно добиться желаемого уровня амплитуды напряжения на выходе.
Основным преимуществом конденсаторно-транзисторных элементов является их малое энергопотребление. Для подтверждения этого исследована зависимость энергии переключения полученного простейшего элемента от величины питающего напряжения (рис.3). Энергия переключения вычисляется по известной формуле
т
Е = | 1Ш,
о
где Т - период, за который вентиль переключается из состояния логического нуля в состояние логической единицы и обратно; I - мгновенное значение выходного тока; V - мгновенное значение выходного напряжения.
Для рабочих напряжений, при которых КМОП-элементы имеют наибольший расход энергии, конденсаторно-транзисторные элементы дают более чем десятикратный выигрыш, что больше ранее рассчитанного на схемотехническом уровне. Такой выигрыш не может быть объяснен только уменьшением выходной амплитуды (не более 10%). Полученный результат свидетельствует о перспективности дальнейшей разработки данной логики в качестве альтернативы КМОП для схем с жесткими ограничениями по энергопотреблению.
Поступило10 февраля 2010 г.
Николаев Артём Валерьевич - ассистент кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ. Область научных интересов: элементная база электронных схем, энергоэффективные и малопотребляющие цифровые схемы. E-mail: tvomvchmail@googlemail.com
УДК 004.272.42
Метод обеспечения динамической частичной реконфигурируемости аппаратуры высокопроизводительного
систолического процессора
Д.С.Артамонов
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Реконфигурируемая вычислительная система (РВС) представляет собой однородный массив (матрицу) вычислительных ячеек одной структуры - однобитовых простых процессорных элементов (ПЭ), каждая из которых может выполнять как минимум одну специфическую функцию из определенного набора возможных функций в зависимости от конфигурации, в которой она находится. При этом вычислительные ячейки массива могут находиться в различных конфигурациях, которые можно изменять в процессе эксплуатации реализованного микрочипа такого массива в составе аппаратуры, обеспечивая тем самым реализацию различных функций и вычислительных алгоритмов [1, 2, 3].
До последнего времени реконфигурируемые системы не позволяли обеспечить динамическую частичную адаптацию системы к структуре решаемых задач в темпе реального времени. По мере развития и усложнения реконфигурируемых устройств, размеров матрицы ПЭ, увеличения объемов настройки и времени ее загрузки все более важной становится задача быстрого (в течение нескольких тактов синхронизации) переконфигурирования части массива без прерывания вычислений его других частей [4].
Развитие средств обеспечения эффективной динамической и частичной реконфигурации является одной из наиболее важных задач в области развития новых подходов к проектированию высокопроизводительных процессоров на основе реконфигурируемой аппаратуры.
Для того чтобы обеспечить динамическую реконфигурируемость вычислительной системы, необходимо определить возможность доступа управляющего устройства (конфигуратора) к любому индивидуальному ПЭ. Для этого в схему вводится система адресации.
Предположим, вычислительная матрица процессорных элементов системы имеет размерность nxm процессорных элементов. В управляющем устройстве (конфигураторе) необходимо выделить пары адресных регистров Xt и Yt, Xc и Yc (log2n и log2m разрядов для адресации nxm ячеек соответственно), определяющие адрес ячейки для работы по заданной функции и адрес ячейки для загрузки конфигурационных данных. Таким образом, множество значений регистров Xt и Yt определяет принадлежность ПЭ конкретной задаче, а множество значений регистров Xc и Yc, - принадлежность ПЭ конкретной конфигурации. В адресных регистрах содержатся данные, определяющие доступ к ПЭ в данный момент времени. В качестве дополнительной аппаратуры в ПЭ вводится структура, определяющая логическую функцию:
© Д.С.Артамонов, 2010
