Энергоэффективная линия связи для систем на кристалле с динамическим управлением частотой синхронизации Адамов Юрий Федорович ИППМ РАН

2 Содержание Введение Помехи в линиях связи Способы реализации линий связи Моделирование различных реализаций линий связи Заключение

3 Введение Снижение энергопотребления в системах на кристалле (СнК) достигается установлением минимально необходимой частоты синхросигнала. На высоких частотах передача сигнала импульсом тока дает снижение энергии на передачу единицы информации. На низких частотах выгоднее передавать информацию импульсами напряжения. Традиционное решение проблемы эффективной передачи информации состоит в переключении потенциальных и токовых приемопередающих блоков, что увеличивает площадь кристалла.

4 Помехи в линиях связи Рис.1 Влияние, оказываемое со стороны близлежащих проводников, и эквивалентная схема для оценки величины помех U пом = 2С пар ΔU лп Z/t фр где C ПАР – паразитная емкость между проводниками; Z сопротивление источника сигнала, U ЛП логический перепад сигнала, t фр длительность фронта сигнала a) б)

5 Помехи в линиях связи презентация Способы реализации линий связи Рис.2 Ячейка линии задержки для проводника длиной 200 мкм, шириной 0,4 мкм для типового цифрового технологического процесса с нормами 0,18 мкм

6 Состав слайдов Способы реализации линий связи Для передачи сигналов по длинным линиям связи известны несколько способов: с использованием буфера с большой нагрузочной способностью; с использованием дополнительных буферов через равные промежутки длины.

7 Состав слайдов Способы реализации линий связи Основные критерии при выборе способа передачи сигнала: энергопотребление, приведённое к длительности одного периода синхросигнала; значение тока, протекающего в линии ; общее токопотребление приёмника и передатчика ; преимущественное использование токового режима передачи сигнала с малым логическим перепадом сигнала в линии для большей помехозащищённости и минимизация задержек.

8 Способы реализации линий связи Рис.3 Типовая линия с повторяющимися буферами, расположенными на равном расстоянии (а), новое решение для линии связи с переключением режимов передачи сигнала (б) a) б)

9 Моделирование реализаций линий связи Рис.4 Электрическая схема для моделирования различных линий передачи сигнала длиной 2мм в режиме минимального энергопотребления

10 Моделирование реализаций линий связи Рис.5 Результаты моделирования линий передачи сигнала длиной 2 мм в режиме минимального энергопотребления при частоте входного сигнала 500 МГц (а-токопотребление приёмника и передатчика линии, б- формы выходных сигналов

11 Моделирование реализаций линий связи Рис.6 Энергия переключения для линии длиной 2 мм, где 1 – токовый режим, 2 –буферизированная линия, 3 – потенциальный режим

12 Моделирование реализаций линий связи Рис.7 Энергия переключения для линии длиной 1 мм, где 1 – токовый режим, 2 –буферизированная линия, 3 – потенциальный режим

13 Рис.8 Энергия переключения для линии длиной 4 мм, где 1 – токовый режим, 2 –буферизированная линия, 3 – потенциальный режим Моделирование реализаций линий связи

14 Результаты моделирования Тип буферов для линии Задержка фронта, псек Задержка среза, псек I max в линии, мкА Энергия переключения за период, фДж Imax, мкА Линия с буферами через 200 мкм 759,0773,999,8993,0444,9 Линия с мощным буфером 600,7 506,2 348,8777,6502,3 Линия в потен- циальном режиме 963,6739,6356,4711,0257,8 Линия в токовом режиме 1717,03454,0166,82164,0241,0 Для линии 2 мм и частотой входного сигнала 20 МГц

15 Результаты моделирования Для линии 2 мм и частотой входного сигнала 500 МГц Тип буферов для линии Задержка фронта, псек Задержка среза, псек I max в линии, мкА Энергия переключе ния за период, фДж Imax, мкА Линия с буферами через 200 мкм 759,0773,999,8993,0444,9 Линия с мощным буфером 595,8435,8343,9683,5502,3 Линия в потен- циальном режиме 937,7301,0329,2415,1298,0 Линия в токовом режиме 458,0259,8172,8307,8267,8

16 Результаты моделирования Для линии 2 мм и частотой входного сигнала 1 ГГц Тип буферов для линии Задержка фронта, псек Задержка среза, псек Imax в линии, мкА Энергия переключения за период, фДж Imax, мкА Линия с буферами через 200 мкм 759,0773,999,8993,0444,9 Линия с мощным буфером 554,6280,1343,9683,5502,3 Линия в потен- циальном режиме неработоспособен Линия в токовом режиме 342,3284,2172,8307,8267,8

17 Заключение Оптимальный режим функционирования для низкочастотных сигналов - режим с потенциальной передачей сигнала. Оптимальный режим функционирования для высокочастотных сигналов - режим с токовой передачей сигнала. При увеличении длины линии энергоэффективность повышается при использовании токового режима, что подтверждается результатами моделирования при различных технологических изменениях и в различных диапазонах температур.

18 Спасибо за внимание!