功率门控电路中若干关键技术研究

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1、博士学位论文功率门控电路中若干关键技术研究RESEARCHONKEYTECHNIQUESOFPOWERGATINGCIRCUITS孙宇哈尔滨工业大学2012年6月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文功率门控电路中若干关键技术研究博士研究生：孙宇导师：肖立伊教授申请学位：工学博士学科：微电子学与固体电子学所在单位：微电子科学与技术系答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreei

2、nEngineeringRESEARCHONKEYTECHNIQUESOFPOWERGATINGCIRCUITSCandidate：SunYuSupervisor：Prof.XiaoLiyiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：Dept.ofMicroelectronicsScienceandTechnologyDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-I

3、nstitution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着CMOS工艺技术的不断进步，集成电路的集成度急剧增加，功能日益复杂，运行速度持续提升。集成电路中的功耗问题日益凸显，它已成为设计过程中最重要的约束之一。器件阈值电压的降低，使得漏电流呈指数倍的增长，导致静态漏电功耗在总功耗中的比例越来越大，甚至超过了动态功耗。特别是待机状态时间较长的手持式移动设备，其静态功耗直接影响供电系统的使用寿命。因此，研究静态低功耗设计技术，降低集成电路中的漏电流，对集成电路设计的发展具有十分重要的意义。功率门控技术是一种广泛应用的静态低功耗设计技术，它可以有

4、效的降低集成电路中的漏电功耗。然而，目前的功率门控技术在面积冗余、可靠性、漏电流节省效率以及数据保持等方面均存在一定的问题。本文重点研究了功率门控技术的面积冗余、地反射效应、漏电流节省效率和数据保持等方面的问题。主要工作内容包括：(1)针对典型的分布式休眠晶体管网络(DistributedSleepTransistorNetwork，简称DSTN)功率门控结构中存在的面积冗余过大的问题，在分析DSTN分簇结构和电路线性模型的基础上，提出了一种最大瞬时电流估算方法。该方法以标准单元输出信号翻转过程中发生的电流波形为基础，利用负载电容充放电电量与电流的关系和短路能耗与电流的

5、关系，快速的估算出标准单元的最大瞬时电流；然后从电路的静态时序分析报告中获取标准单元的时序信息，结合单元的最大瞬时电流值，计算电路分簇的最大瞬时电流。这种方法避免使用SPICE仿真，能够提高瞬时电流的计算速度。在获得电路最大瞬时电流信息后，本文提出将引入λ的启发式算法和模拟退火算法应用到尺寸优化过程中，并与传统的启发式算法获得的优化结果进行比较。优化后的结果表明，休眠晶体管的面积冗余可降至1%以下。将尺寸优化后的休眠晶体管插入电路中，经SPICE仿真验证，电路完全满足5%VDD的压降约束。文中的休眠晶体管优化设计流程可与集成电路Top-down设计流程紧密结合，可以有效

6、的降低功率门控电路的面积冗余。(2)针对功率门控电路开启过程中地反射效应造成的电压波动问题，提出了一种快速有效的计算方法。该方法以逻辑综合后的门级网表和输入向量作为输入，通过计算电路充电节点的对地总电容，有效估算地反射效应电压波动的极值和周期，具有一定的理论和实际指导意义。在建立的模型基础之上，本文采用输入向量控制技术来降低被充电的电路内部节点的电荷量，进而降低地反-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文射效应电压波动的最大值，并用遗传算法来求解最优化的向量。SPICE仿真结果表明，本文中的方法可以有效的降低地反射效应电压波动的极值，从而保证电路的正常运行。(3)针对休眠晶

7、体管其本身的漏电会降低漏电流节省效率的问题，提出了一种将最优衬底偏压技术与功率门控技术相结合的方法，降低电路中的漏电功耗。利用纳米级CMOS器件各部分漏电流随着衬底偏置电压相反的变化趋势，提出了一种最优衬底偏压Vop的探测方法。该方法通过比较关断状态下的两PMOS复制管在不同衬底偏压下的总体漏电流，找到使两漏电流相等或接近的衬底偏置电压作为最优衬底偏压Vop。器件在Vop作用下总体漏电流可以达到最小值。两个PMOS器件可以完全复制PMOS休眠晶体管的工作状态，因此探测到的Vop结果较为准确。在不同的温度和工艺条件下，探测电路均可探测到对应