Proiectarea cipurilor este una dintre prioritățile de dezvoltare ale fiecărei țări, iar extinderea industriei de proiectare a cipurilor din China va contribui la reducerea dependenței țării mele de cipurile străine. În articolele anterioare, editorul a introdus odată fluxul direct și invers al proiectării cipurilor și perspectivele proiectării cipurilor. În acest articol, editorul vă va prezenta capitolul actual de proiectare a cipurilor - optimizarea și realizarea consumului de energie al arborelui ceasului în proiectarea cipului RFID.
1 Prezentare generală
UHF RFID este un cip de identificare a frecvenței radio UHF. Cipul adoptă un mod de alimentare pasivă: după ce primește energia purtătorului, unitatea frontală RF generează un semnal de alimentare Vdd pentru a furniza întregul cip să funcționeze. Datorită limitărilor sistemului de alimentare cu energie electrică, cipul nu poate genera o unitate de curent mare, astfel încât proiectarea cu putere redusă a devenit o descoperire majoră în procesul de dezvoltare a cipului. Pentru a face ca partea circuitului digital să producă un consum cât mai redus de energie posibil, în procesul de proiectare a circuitului logic logic, pe lângă simplificarea structurii sistemului (funcții simple, conține doar modulul de codificare, modulul de decodare, modulul de generare a numerelor aleatorii, ceasul , modul de resetare, unitate de control a memoriei, precum și modulul de control general), proiectarea circuitelor asincrone este adoptată în proiectarea unor circuite. În acest proces, am văzut că, deoarece arborele ceasului consumă o mare parte din consumul de energie al logicii digitale (aproximativ 30% sau mai mult), reducerea consumului de energie al arborelui ceasului a devenit, de asemenea, o reducere a consumului de energie al logica digitală și puterea întregului cip de etichete. Un pas important pentru consum.
2 Compoziția puterii cipurilor și metodele de reducere a consumului de energie
2.1 Compoziția consumului de energie
Figura 1 Compoziția consumului de energie al cipului
Consumul de energie dinamic include în principal consumul de scurtcircuit și consumul de energie de basculare, care sunt principalele componente ale consumului de energie al acestui design. Consumul de energie pentru scurtcircuit este consumul intern de energie, care este cauzat de scurtcircuitul instantaneu cauzat de pornirea tubului P și a tubului N într-un anumit moment al dispozitivului. Consumul de energie este determinat de încărcarea și descărcarea capacității de încărcare la ieșirea dispozitivului CMOS. Consumul de energie prin scurgere include în principal consumul de energie cauzat de scurgeri sub prag și scurgeri de poartă.
Astăzi, cele mai importante două surse de consum de energie sunt: conversia capacității și scurgerea sub prag.
2.2 Metode principale de reducere a consumului de energie
Figura 2 Metode principale de reducere a consumului de energie a cipurilor
2.2.1 Reduceți tensiunea de alimentare Vdd
Insula de tensiune: diferite module utilizează tensiuni de alimentare diferite.
Scalarea tensiunii la nivel MulTI: Există mai multe surse de tensiune în același modul. Comutați între aceste surse de tensiune în funcție de diferite aplicații.
Dynamic Voltage Frequency Scaling: Versiunea actualizată a „reglării tensiunii pe mai multe niveluri”, care reglează dinamic tensiunea în funcție de frecvența de lucru a fiecărui modul.
AdapTIve Voltage Scaling: o versiune actualizată a DVFS care utilizează un circuit de feedback care poate monitoriza comportamentul circuitului pentru a regla tensiunea în mod adaptiv.
Circuitul sub prag (proiectarea este mai dificilă și rămâne în continuare în sfera cercetării academice)
2.2.2 Reduceți frecvența f și rata de rotație A
Optimizarea codului (extragerea factorilor comuni, reutilizarea resurselor, izolația operației, lucrări în serie pentru a reduce consumul maxim de energie etc.)
Ceas închis
Strategie multi-ceas
2.2.3 Reduceți capacitatea de încărcare (CL) și dimensiunea tranzistorului (Wmos)
Reduceți unitățile secvențiale
Reducerea suprafeței și a scării
Actualizarea procesului
2.2.4 Reduceți scurgerea curentului de scurgere
Tensiunea pragului de control (tensiunea pragului) (tensiunea pragului ↑ curent de scurgere ↓ dacă se utilizează MTCMOS, VTCMOS, DTCMOS)
Controlați tensiunea porții (Gate Voltage) (controlând tensiunea sursei porții pentru a controla curentul de scurgere)
Transistor Stack (conectați tranzistoarele redundante în serie, creșteți rezistența pentru a reduce curentul de scurgere)
Alimentare electrică închisă (Power gaTIng sau PSO) (când modulul nu funcționează, opriți alimentarea pentru a reduce efectiv curentul de scurgere)
3 Optimizarea consumului de energie al arborelui ceasului în cipul RFID
Când cipul funcționează, o mare parte din consumul de energie se datorează cifrei de afaceri a rețelei de ceas. Dacă rețeaua de ceas este mare, pierderea de energie cauzată de această parte va fi foarte mare. Dintre multe tehnologii cu consum redus de energie, ceasul închis are cel mai puternic efect de reținere asupra consumului de energie și a consumului intern de energie. În acest design, combinația dintre tehnologia ceasului cu niveluri multiple și o strategie specială de optimizare a arborelui ceasului economisește o mare parte din consumul de energie. Acest proiect a folosit o varietate de strategii de optimizare pentru consumul de energie în proiectarea logică și a încercat câteva metode în sinteza back-end și proiectarea fizică. Prin mai multe optimizări de putere și iterații în capetele din față și din spate, s-au găsit abordarea integrată a proiectării codului logic și a consumului minim de energie.
4.1 Adăugați manual controlul ceasului în etapa RTL
Figura 3 Schema schematică a ceasului închis
modul data_reg (En, Data, clk, out)
intrare En, clk;
input [7: 0] Date;
ieșire [7: 0] afară;
mereu @ (posedge clk)
if (En) out = Date;
endmodule
Scopul acestei etape este în principal dublu: primul este să adăugați o unitate de ceas închis pentru a controla rata de rotație și a reduce consumul de energie dinamic mai rezonabil în funcție de probabilitatea de rotație a ceasului pentru fiecare modul. Al doilea este de a produce o rețea de ceas cu o structură echilibrată pe cât posibil. Se poate garanta că unele tampoane de ceas pot fi adăugate în etapa de sinteză a arborelui de ceas back-end pentru a reduce consumul de energie. Unitatea ICG (Integrated Gating) din biblioteca de celule de turnătorie poate fi utilizată direct în proiectarea propriu-zisă a codului.
4.2 Instrumentele din faza de sinteză sunt introduse în poarta integrată
Figura 4 Introducerea ceasului închis în timpul sintezei logice
#Setează opțiunile de închidere a ceasului, implicit max_fanout este nelimitat
set_clock_gating_style -sequential_cell latch \
-positive_edge_logic {integrat} \
-control_point înainte de \
-scanare_semnal_control_activare
#Creați un arbore de ceas mai echilibrat prin inserarea ICG-urilor „întotdeauna activate”
setați power_cg_all_registers true
setați power_remove_redundant_clock_gates true
read_db design.gtech.db
top_design curent
legătură
sursa design.cstr.tcl
#Introduceți porți de ceas
insert_clock_gating
compila
# Generați un raport privind închiderea ceasului introdus
report_clock_gating
Scopul acestei etape este de a utiliza instrumentul integrat (DC) pentru a introduce automat unitatea închisă pentru a reduce și mai mult consumul de energie.
Trebuie remarcat faptul că setările parametrilor pentru inserarea ICG, cum ar fi ventilarea maximă (cu cât ventilatorul este mai mare, cu atât este mai mare economie de energie, cu atât este mai echilibrat ventilatorul, cu atât este mai mică înclinarea, în funcție de design, așa cum se arată în figură), și setarea parametrului minimum_bitwidth În plus, este necesar să introduceți un ICG normal deschis pentru structuri mai complexe de control al porții pentru a face structura rețelei de ceas mai echilibrată.
4.3 Optimizarea consumului de energie în etapa de sinteză a arborelui ceasului
Figura 5 Compararea a două structuri de arbore de ceas (a): tip de adâncime pe mai multe niveluri; (b): tip plat cu câteva niveluri
Mai întâi introduceți influența parametrilor cuprinzători ai arborelui ceasului asupra structurii arborelui ceasului:
Inclinare: înclinarea ceasului, obiectivul general al arborelui ceasului.
Întârziere de inserție (latență): întârzierea totală a traseului ceasului, utilizată pentru a limita creșterea numărului de nivele ale arborelui ceasului.
Taranstion maxim: timpul maxim de conversie limitează numărul de buffere care pot fi conduse de buffer-ul de primul nivel.
Capacitate maximă maximă ventilator: Capacitatea maximă de încărcare și ventilatorul maxim limitează numărul de buffere care pot fi acționate de buffer-ul de primul nivel.
Scopul final al sintezei arborelui ceasului în proiectarea generală este de a reduce înclinarea ceasului. Creșterea numărului de niveluri și reducerea fiecărui nivel de fanout vor investi mai multe buffere și vor echilibra mai precis latența fiecărei căi de ceas pentru a obține o înclinare mai mică. Dar pentru proiectarea cu putere redusă, mai ales atunci când frecvența ceasului este scăzută, cerințele de sincronizare nu sunt foarte mari, așa că se speră că scara arborelui ceasului poate fi redusă pentru a reduce consumul de putere de comutare dinamică cauzat de arborele ceasului. Așa cum se arată în figură, prin reducerea numărului de niveluri ale arborelui ceasului și creșterea ventilatorului, dimensiunea arborelui ceasului poate fi redusă în mod eficient. Cu toate acestea, datorită reducerii numărului de tampoane, un arbore de ceas cu un număr mai mic de niveluri decât un arbore de ceas cu mai multe niveluri Doar echilibrează aproximativ latența fiecărei căi de ceas și obține o înclinare mai mare. Se poate observa că, cu scopul de a reduce scala arborelui ceasului, sinteza arborelui ceasului cu putere redusă este în detrimentul creșterii unei anumite înclinări.
În mod specific pentru acest cip RFID, folosim procesul TSMC 0.18um CMOS LOGIC / MS / RF, iar frecvența ceasului este de doar 1.92M, ceea ce este foarte scăzut. În acest moment, când ceasul este utilizat pentru sinteza arborelui ceasului, ceasul scăzut este utilizat pentru a reduce scala arborelui ceasului. Sinteza arborelui ceasului consumat de energie stabilește în principal constrângerile de înclinare, latență și tranzit. Deoarece restricționarea ventilatorului va crește numărul de niveluri ale arborelui ceasului și va crește consumul de energie, această valoare nu este setată. Valoarea implicită din bibliotecă. În practică, am folosit 9 constrângeri diferite ale arborelui ceasului, iar constrângerile și rezultatele cuprinzătoare sunt prezentate în Tabelul 1.
5 Concluzie
Așa cum se arată în Tabelul 1, tendința generală este că, cu cât este mai mare înclinarea țintă, cu atât este mai mică dimensiunea arborelui de ceas, cu atât este mai mic numărul de tampoane ale arborelui de ceas și cu atât este mai mic consumul de energie dinamic și static corespunzător. Acest lucru va salva arborele ceasului. Scopul consumului. Se poate observa că atunci când distorsiunea țintă este mai mare de 10ns, consumul de energie practic nu se schimbă, dar valoarea mare a distorsiunii va determina deteriorarea temporizării de așteptare și va crește numărul de tampoane inserate la repararea temporizării, deci ar trebui făcut compromis. Din graficul Strategia 5 și Strategia 6 sunt soluțiile preferate. În plus, atunci când este selectată setarea optimă de înclinare, puteți vedea, de asemenea, cu cât este mai mare valoarea de tranziție Max, cu atât este mai mic consumul final de energie. Acest lucru poate fi înțeles ca cu cât timpul de tranziție al semnalului de ceas este mai mare, cu atât este mai mică energia necesară. În plus, setarea constrângerii de latență poate fi mărită cât mai mult posibil, iar valoarea sa are un efect redus asupra rezultatului consumului final de energie.
alt produs nostru:
