畢業(yè)論文——低功率21 MUX桶式移位器

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1、低功率2:1MUX桶式移位器摘要基于能量回收的絕熱開關技術可以降低電路和邏輯電平的功耗,是創(chuàng)新的解決方案之一。許多研究人員采取了加法器作為基準電路,但絕熱的優(yōu)點只能用在大數(shù)字電路中。在處理器的設計中,桶式移位器是重要的一環(huán),并沒有花太多功夫降低它的功耗。因為桶式移位器需要nlog2nMUX來做n位轉(zhuǎn)換,所以設計MUX為低功率,作為桶式移位器中一個重要的模塊,這將大大降低仿真時間。本文比較了基于CMOS的傳統(tǒng)絕熱設計,它們都使用了以元件為基礎的設計方法,并在Cadence中采用180納米工藝。這項研究成果將為完成超低功耗

2、MUX桶式移位器的設計提供方向。關鍵Words-絕熱,能量回收,PAL,CAL,IPGL。1.簡介桶式移位器是一個重要的浮點運算塊,通過n位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。桶形移位器的設計幾乎對稱并且可以使用重復的組合邏輯塊來完成。如果每個多路復用塊在能量耗散方面得到優(yōu)化,那么2:1的多路復用器可以有效地用于設計n位桶式移位器。桶形移位器的整體仿真時間減少log2n的一個因素,是因為只用一個模擬多路復用器就足夠估計整個能量的耗散和延時。這篇論文表明,如果桶式移位器的基礎構(gòu)造MUX采用絕熱技術設計則可以降低桶式移位器整體的能量耗散。動態(tài)功耗是

3、由于負載電容器在充放電過程中,輸出在開關狀態(tài),最高達到了70%,同時靜態(tài)功耗最低,只有10%。剩下的總功耗是由于短路電流引起的。對于傳統(tǒng)CMOS電路來說,負載電容CL的充放電可以用圖1表示。可以看到負載電容器CL中,充電過程是由VDD端通過F端流向它,而放電過程是通過F'端接地。在充電過程中,(1/2)CLVDD的能量在輸出電路中丟失,而在放電過程中(1/2)CLVDD的能量(這是存儲在電容器里)輸出到地面。因此在一個充電和放電的循環(huán)中、能量CLVDD2是消散的。如果輸出開關工作于頻率f,開關在α動作,那么動態(tài)功耗由下

4、式給出,電源上動態(tài)功率耗散的二次從屬關系,提供了一個有吸引力的解決方案。通過S2與電源電壓縮放因子S,來降低消耗。圖1.傳統(tǒng)CMOS不幸的是,當電源電壓降低時,電路延遲成倍增加。這可以看出,電源延時器對電壓進行了優(yōu)化,約等于2vt。這限制了最小電壓為2VT。[1]一旦電源接通,將逐步減少電容值和工作電壓。在傳統(tǒng)CMOS邏輯電路中,如果放電期間流到地面的能量能夠重新輸給電源,那么將會節(jié)約大量的能源。如果回收的電能來自電源本身,邏輯電路中的能量效率還可以提高。絕熱邏輯設計方法提供了這種可能性。2.絕熱開關一個典型的絕熱開關

5、電路如圖2a所示。負載電容由恒定電流源供電,對應一個線性電壓斜坡信號。傳統(tǒng)的CMOS電路和絕熱電路之間有明顯的區(qū)別,在絕熱電路中,恒流源為負載電容充電,在傳統(tǒng)的CMOS電路中,恒壓源為負載電容充電。如圖所示,令R為電路中的上拉電阻。a.絕熱開關b.電流圖2.絕熱開關當t=0到t=T,通過下式可以發(fā)現(xiàn)電阻R中的能量耗散有如下規(guī)律:從這個等式可以看出:1.如果充電時間大于2RC,電阻上消耗的功率將小于傳統(tǒng)的CMOS電路中消耗的功率。2.電阻消耗的能量與T成反比,這意味著可通過增加充電時間減少能量消耗。3.電阻消耗的能量與R

6、成正比,與此形成鮮明對比的是,傳統(tǒng)CMOS電路中消耗的能量取決于負載電容和電壓波動。4.隨著充電電阻減小,能量耗散減少。圖2b標明了絕熱電路中電流的方向。上拉電路驅(qū)動絕熱門輸出,而下拉電路驅(qū)動節(jié)點輸出。絕熱電路充電時,輸出電容放電。在周期結(jié)束時,能量流回到電源。這個電路的重要組成部分是脈沖增壓電源而不是傳統(tǒng)邏輯電路中的直流電源。另外,在電容的充放電過程中,電源的輸出一直變化時,可以用步進式穩(wěn)壓電源代替電源接線端鈕。它消耗的能量正比于充電過程中的平均電壓降,可以解釋從邏輯0到邏輯1的變化。實驗結(jié)果表明,當逆變器由恒壓源充

7、電時,消耗的能量達到9.17X10-13?,而當電壓依次應用在這三個步驟上,消耗的能量僅為9.69X10-17?[3]。3.絕熱邏輯的實現(xiàn)3.1絕熱放大器的設計WilliamAthas等人使用帶有兩個CMOS傳輸門和NMOS壓板的絕熱放大器證明了絕熱的基本原理[4]。圖3展示了絕熱放大器和雙電極輸入輸出端。圖3a.絕熱放大器圖3b.能量回收原理右窗格圖3b中的能量耗散波形演示了每個周期中輸入端能量恢復的情況。3.2基于絕熱邏輯技術設計2:1MUX建立桶式移位器有許多方法,例如基于MUX結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術,基于data-

8、reversal結(jié)構(gòu)的掩碼技術,基于MUX結(jié)構(gòu)的二進制補碼技術。研究表明,在相同條件下,基于MUX結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換桶式移位器,只需要更小的面積卻能提供更短的延遲。[5]因此,如果絕熱多路復用器用于設計桶形移位器,它的耗能也能降到最低。絕熱技術用于減少2:1MUX的功耗,因此選擇了3種絕熱邏輯方案,CMOS(絕熱)邏輯(CAL)[7]

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