Fluxo de geração e caracterização de bibliotecas de células padrão para aplicações de ultra-baixo consumo
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Janier Arias Garcia
José Augusto Miranda Nacif
José Augusto Miranda Nacif
Resumo
Diversos trabalhos no campo da microeletrônica possuem recursos energéticos extremamente limitados. Aplicações biomédicas, de identificação por rádio frequência (RFID) e redes de sensores sem fio podem ser citadas como exemplos desses sistemas. Nessas aplicações, o foco principal é o consumo de energia, em troca da performance geral do sistema.Dessa forma, têm-se a necessidade de designs com potências ultra-baixas (do inglês Ultra-low Power - ULP), que possibilitam esse processamento com um ultra-baixo consumo de energia. Uma das técnicas mais comuns para esse fim, é o uso de tensões de alimentação abaixo do limiar do transistor, devido a relação quadrática desta com o consumo de energia. Tendo em mente que essa metodologia precisa de um novo design dos circuitos existentes, novos fluxos de design flexíveis devem ser criados, permitindo aos projetistas gerarem bibliotecas de células padrão onde possam escolher a melhor relação entre o consumo de energia e a performance da aplicação destinada. Ao contrário da literatura, que aborda a manipulação dos parâmetros de forma separada, o presente trabalho tem como função apresentar um fluxo único, capaz de realizar a completa geração de uma biblioteca de células padrão para aplicações de potências ultra-baixas. O fluxo comporta a escolha da melhor tensão de alimentação e dos parâmetros iniciais para o dimensionamento, o design, a caracterização e verificação de todas as células que compõem a biblioteca. A validação do fluxo proposto foi realizada através de simulações realizadas com um processador ARM de código aberto, além de diversos circuitos de teste das plataformas ITC99 e EPFEL em uma tecnologia de fabricação de 130nm. O fluxo foi aplicado para gerar uma biblioteca para as tensões de 0, 25V e 0, 35V e os resultados dos testes indicam que o uso do fluxo habilita uma redução na potência dissipada em cerca de 98% para a primeira e de cerca de 95% para a última, enquanto que a performance degrada em, aproximadamente, um fator 100 e 35, respectivamente.
Abstract
Many applications in the microelectronic field possess strong limited energy resources. Biomedical applications, RFID and wireless sensors networks can be used as example of those systems. In these applications, the main focus is on energy consumption in exchange for the overall system performance. Thus, there is a need for ultra-low power (ULP) designs, that enable processing with ultra-low energy consumption. One of the most common techniques toward this end is the use of supply voltages lower than the transistor threshold value, due to its quadractic relationship with the energy consumption. Having in mind that this metodology needs a redesign of existing circuits, there is a need to new flexible design flows, allowing the designer to generate standard cell libraries where he can choose the best tradeoff between the energy consumption and the performance of the destined application. In constrast to the state-of-art, which treats each parameter separately, the present work proposes a unique flow, capable of the complete generation of standard cell libraries for ultra-low power applications. The flow comprises the choose of the best supply voltage, the initial sizing parameters, the design, characterization and the verification of all cells that compose the library. The proposed flow was validated through simulations with an ARM-based processor and several testbench circuits from the ITC99 and EPFEL sets, using a 130nm technology. The flow was applied to generate a library for the supply voltages of 0.25V and 0.35V and results indicate that the flow can enable a reduction in the power dissipation of about 98% for the first and 95% for the last, while the performance degrades in a factor of 100 and 35, respectively.
Assunto
Engenharia elétrica
Palavras-chave
Design sub-limiar, Consumo ultra-baixo, Biblioteca de células padrão