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集成电路功耗估计及低功耗设计

作　者: 徐勇军
导　师: 李晓维
学　校: 中国科学院研究生院（计算技术研究所）
专　业: 计算机系统结构
关键词: CMOS电路静态功耗估计静态功耗优化低功耗处理器无线传感器网络
分类号: TN402
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
下　载: 1833次
引　用: 23次
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内容摘要

随着制造工艺的发展,功耗成为集成电路设计中的一个十分关键的问题,传统的低功耗设计主要围绕动态功耗的估计和优化展开。进入深亚微米工艺后,出现了很多新的功耗问题,例如漏电流的迅猛增长引起了一系列新问题的产生。本文主要研究漏电流的估计和优化以及与之相关的问题,并应用于一款低功耗处理器设计和低功耗无线传感器网络系统设计中。本文主要内容涉及以下方面:(1)集成电路功耗估计及优化实验平台。本文结合多种不同的电路格式,自主定义了一种逻辑级电路的中间表示形式(称为UMCF)和一系列极具特色的与低功耗技术相关的操作,它不但可以实现与其他多种电路格式之间的相互转换,还可以将电路直接转换成HSPICE可以接受的文件,进行晶体管级的电路功耗估计,这样可以在公认的高精度的功耗模拟器上,对本文的结果进行有效的验证。在该平台上实现了动态功耗,冒险功耗及上电功耗估计和静态功耗估计等,可信高效的实验平台是全文工作的基础。(2)动态功耗估计及优化。研究了功耗敏感性原理,并推导出相关的数学模型,给出了一套完整的组合电路的功耗敏感性理论分析的方法并通过实验进行有效的验证分析,它可用于动态功耗和静态功耗的特性分析中;分析了常用基准电路中存在的冒险共振现象,并用它加速动态功耗估计,取得了意想不到的效果;文章给出了一种针对电路上电的瞬态功耗进行准确功耗估计方法,在有效建模的基础上,给出了一些有指导性意义的结论;文章继续研究了输入向量控制法,并在动态功耗优化方面进行了应用,具有比较好的效果。对动态功耗的研究有利于我们了解较低工艺下的功耗行为,这部分内容也是深亚微米工艺下低功耗技术的研究基础。(3)静态功耗估计及优化。这部分在研究了静态功耗的来源及现有较成熟的静态功耗模型的基础上,参考研究领域普遍采用的BSIM模型,研究了CMOS晶体管和基本逻辑门电路中都广泛存在的堆栈效应,然后提出一个逻辑级漏电模型,并实现相应的基于查表的漏电流模拟器;在这个模拟器的基础上,进行了最大漏电流估计、最小漏电向量产生、平均漏电宏模型以及静态功耗压缩模拟方法等一系列问题的研究,它们相对独立却又合成一体。另外文章还提出了一种静态功耗压缩估计方法和一种双阈值电压快速优化方法,它可以很好地用在低漏电电路的设计中。这部分内容主要解决的关键问题是确定一个简单而相对精确的较高层的静态功耗模型,并使用更多上层功耗信息来加速较低层次的功耗估计方法,是本文重要的创新点。(4)低功耗微处理器设计。作为典型应用实例,文章给出了一款嵌入式低功耗处理器的设计(已投片成功),并在该处理器中进行了多种低功耗设计方面的尝试。这是一款RISC指令集的低功耗处理器芯片,它采用哈佛总线结构,兼容了AVR指令集,具有4KB片内SRAM,128KB Flash(暂时处于片外),除了

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
插图目录  10-12
表格目录  12-13
第一章引言  13-24
  1.1 研究背景  13-16
    1.1.1 低功耗技术研究意义  13-15
    1.1.2 低功耗技术的应用  15-16
  1.2 研究现状  16-19
    1.2.1 功耗的发展现状  17-18
    1.2.2 功耗的分类  18
    1.2.3 低功耗设计  18-19
  1.3 本文的工作  19-22
    1.3.1 动态功耗技术  19-20
    1.3.2 静态功耗技术  20
    1.3.3 低功耗处理器设计  20-21
    1.3.4 低功耗系统设计  21
    1.3.5 本文的创新之处  21-22
  1.4 论文的组织结构  22-24
第二章低功耗技术综述  24-30
  2.1 功耗估计技术  24-25
  2.2 动态功耗优化技术  25-27
  2.3 静态功耗优化技术  27-28
  2.4 低功耗处理器设计  28-29
  2.5 其他低功耗问题  29-30
第三章动态功耗估计方法  30-63
  3.1 动态功耗模型  30-36
    3.1.1 动态功耗来源  30-34
    3.1.2 跳变功耗模型  34
    3.1.3 UMCF 电路模型  34-36
  3.2 功耗敏感性分析  36-43
    3.2.1 功耗敏感性分析方法  36-40
    3.2.2 动态功耗敏感性分析  40-41
    3.2.3 静态功耗敏感性分析  41-42
    3.2.4 敏感性分析应用  42-43
  3.3 冒险共振及应用  43-50
    3.3.1 冒险共振现象  44-47
    3.3.2 状态空间压缩  47-48
    3.3.3 实验及结果  48-50
  3.4 上电瞬态功耗估计  50-56
    3.4.1 电源门控方法  50-51
    3.4.2 上电电流模型  51-53
    3.4.3 遗传算法优化方法  53-54
    3.4.4 实验及结果  54-56
  3.5 体系结构级功耗估计  56-63
    3.5.1 体系结构级功耗估计  56-58
    3.5.2 体系结构级功耗模型  58-59
    3.5.3 实验及结果  59-63
第四章静态功耗估计方法  63-87
  4.1 静态功耗经典模型  63-64
  4.2 静态功耗查表法估计  64-69
    4.2.1 静态功耗堆栈效应  64-66
    4.2.2 静态功耗查表估计法  66-67
    4.2.3 模拟器实现及验证  67-69
  4.3 整体功耗协同分析  69-74
    4.3.1 整体功耗模型  69-70
    4.3.2 整体功耗参数  70-71
    4.3.3 协同分析结果  71-74
  4.4 最值静态功耗估计  74-78
    4.4.1 遗传算法优化  74-75
    4.4.2 最大漏电流估计  75
    4.4.3 最小漏电向量产生  75-78
  4.5 静态功耗压缩估计  78-80
    4.5.1 压缩估计原理  78-79
    4.5.2 压缩方法验证  79-80
  4.6 阈值电压法  80-87
    4.6.1 电路模型及一般假设  81-82
    4.6.2 统计预置算法  82-83
    4.6.3 关键问题讨论  83-85
    4.6.4 实验结果  85-87
第五章低功耗处理器设计  87-97
  5.1 低功耗处理器系统设计  87-89
    5.1.1 低功耗处理器研究背景  87-88
    5.1.2 处理器系统结构  88-89
    5.1.3 主要技术特点  89
  5.2 低功耗安全协处理器  89-93
    5.2.1 安全协处理器意义  90
    5.2.2 指令系统设计  90-91
    5.2.3 安全协处理器硬件结构  91-93
    5.2.4 编译及模拟器  93
  5.3 处理器低功耗设计  93-97
    5.3.1 动态功耗管理机制  93-94
    5.3.2 层次化功耗管理模型  94-95
    5.3.3 动态资源管理机制  95-97
第六章低功耗系统设计  97-114
  6.1 低功耗传感器网络节点  97-102
    6.1.1 传感器网络研究背景  97-99
    6.1.2 硬件节点整体设计  99-100
    6.1.3 低功耗系列节点设计  100-102
  6.2 低功耗无线通信协议  102-107
    6.2.1 低功耗MAC 层协议  103-105
    6.2.2 低功耗路由协议  105-106
    6.2.3 拓扑控制及传输层协议  106-107
  6.3 低功耗软件设计  107-111
    6.3.1 软件系统结构  107-108
    6.3.2 操作系统内核  108-109
    6.3.3 后台系统设计  109-111
    6.3.4 软件系统低功耗优化  111
  6.4 系统级低功耗设计  111-114
    6.4.1 系统级功耗管理  112
    6.4.2 低功耗板级设计  112-113
    6.4.3 硬件的事件驱动机制  113-114
第七章结论和未来工作  114-117
  7.1 本文的工作总结  114-115
  7.2 存在的问题与将来的工作  115-117
致谢  117-119
作者简历  119-124
参考文献  124-133

集成电路功耗估计及低功耗设计

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