cmos+vlsi电路的功耗分析及低功耗设计研究

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1、上海交通大学博士学位论文CMOSVLSI电路的功耗分析及低功耗设计研究姓名：卢君明申请学位级别：博士专业：电路与系统指导教师：林争辉20030601CMOSVLSI电路的功耗分析及低功耗设计研究摘要随着集成电路特征线宽的持续缩小以及芯片密度和工作频率的相应增加低功耗已经成为亚微米和深亚微米VLSI/ULSI集成电路设计中的一个主要考虑因素对功耗 分析方面来讲主要是最大功耗和平均功耗两个方面的估计问题从低功耗设计概念上来说功耗主要指平均功耗随着功耗作为除面积和速度之外的第三个主要设计因素设计空间在更多的约束下进一步扩展

2、在这些约束下在芯片流片之前进行功耗的估 计(包括平均功耗和最大功耗)显的非常重要另外在设计的高抽象等级上进行功耗 估计对功耗预算来说也是非常重要的本论文的工作主要分成两个部分一部分是CMOSVLSI的功耗分析技术研究另一部分是CMOS电路低功耗设计方面的探讨在功耗分析技术研究中首先我们研究了CMOS电路的延迟建模介绍了四种 电路分析中常用的延迟模型后引入了一种统计延迟模型该模型考虑了电路在实际 生产和使用中的对电路延迟的影响这些延迟模型的介绍为功耗估计技术的研究提供了基础由于VLSI电路过高的瞬间功耗会降低电路的可靠

3、性和性能随着当今VLSI设计 的高可靠性要求就要求在CMOSVLSI电路的综合过程中进行最大功耗估计CMOS 电路的最大功耗估计问题是目前功耗估计研究中的一个热点因此本文就对门级电路 的最大功耗估计技术进行了研究在自动测试向量产生技术概念的起发下我们首次 将遗传算法技术引入到电路的最大功耗估计应用中按照由易到难的原则从零延迟 模型组合电路开始研究了基于遗传算法的CMOS电路最大功耗估计技术并将该技 术逐步推广到零延迟模型的时序电路固定延迟模型下的组合和时序电路统计延迟 模型下的组合电路和时序电路同时大量的仿真表明我们

4、提出的算法与现有的 Mento-Carlo方法相比具有速度快估计效果好的特点针对CMOS电路的平均功耗估计我们采用自适应信号处理的概念来处理通过仿 真得到功耗信息引入最小平方估计技术研究了一种基于最小平方估计算法的统计 技术来估计平均功耗最小平方估计克服了Mento-Carlo技术中的收敛性问题同时 不用假设任何输入的分布特性这种方法是无偏估计采用了点估计技术得到了快 收敛及高精度的估计结果接下来按照基于分析的低功耗设计流程主要论述了近几年来出现的应用在功耗 建模功耗估计及优化的新技术主要集中在软件级行为级RT级上在

5、CMOS电路低功耗设计方面研究了低功耗高速算术单元晶体管级实现因为 当前许多数字系统中如数字信号处理图象和视频信号处理和微处理器中都大量I的使用算术操作加减乘和乘加是最常用的算术操作例子并且这些算术单元往往位于关键路径上且操作频繁因此对低功耗高速算术单元的研究很有使用价值 我们研究了所有算术模块的最基本单元1-bit全加器单元提出了一种新的低电 压低功耗1-bit全加器的结构在该全加器结构的基础上提出了一种结构化的低电压低功耗加法器设计方法得到了多种新的加法器结构并在高频率下获得了较好的 功率-延迟特性最后研究了RS

6、A算法的VLSI实现提出了两种新的电路结构由于新的RSA电 路结构结构合理其关键路径的延迟分别降低到了一个全加器的延迟(基2RSA电路 结构)和1.5个全加器延迟(基4RSA电路结构)因此新的RSA电路的系统时钟可提高到300MHz以上同时改进了算法降低了算法的迭代次数提高了系统的数据吞 吐率新提出的两种RSA结构实现的数据加解密速度是目前文献中速度最快的(不使用中国余数定理)而且我们的结构也可以应用在中国余数定理实现RSA的结构中 同时这两种结构中的关键电路采用了前面提出的高速低功耗电路结构并采用门控时钟技术对模乘

7、模块中的两个运算模块即CSA模块和CPA模块在使用时打开时钟而在空闲时则关闭时钟降低了电路的功耗综合考虑我们的RSA电路结构是高速低功耗且面积有效性好的结构关键词功耗分析功耗估计低功耗设计遗传算法最小平方算法全加器RSAIIPowerAnalysisandLowPowerDesigninCMOSVLSIABSTRACTThegrowthintheuseofpersonalcomputing,wirelesscommunicationandportabledevices,hasincreasedtheneedforlo

8、wpower,highperformance,computeintensiveVLSIcircuits.Thesesystemsoftenrequirecomputationssuchasvoice,videocompressionanddecompression,ha-nwdritingrecognition,text/graphicproc