近阈值绝热静态存储器设计

发布时间：2017-11-01 05:12

  本文关键词：近阈值绝热静态存储器设计

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【摘要】：高速缓冲存储器(cache)占据了高性能微处理器中一半以上的晶体管,而cache通常使用静态随机存储器(SRAM)技术,因此SRAM的研究设计在半导体行业中一直是一个热点。可靠性和功耗是SRAM设计所关心的两个大问题,这符合IC设计发展方向中的低功耗设计和高可靠性设计两个研究热点。SRAM通常包含很多大容量总线,并且被频繁的访问,这会消耗很大的功耗,因此低功耗SRAM的需求越来越高。动态功耗一直在总功耗中占据一个很大比例。然而当集成电路工艺低于100nm时,阈值电压随着电源电压的下降在降低,亚阈值漏电流会因阈值电压的降低成指数形式增加,从而导致静态功耗增大,静态功耗在总功耗中所占的比例也在相应的增大。国际半导体蓝图(ITRS)报导称:漏功耗在总功耗中可能占据主导地位。研究表明基于能量回收技术的绝热电路在降低动态功耗方面起到了很重要的作用,因此在基于能量回收电路的基础上进一步降低漏功耗有很重要的研究意义。本课题以SRAM电路作为研究对象,对其动态功耗和静态功耗进行优化。主要对以下几个内容进行研究:1、分析传统CMOS电路的功耗产生机制、对绝热电路原理及绝热电路结构进行分析。分析漏电流的来源,并且研究漏功耗减小技术。2、设计了传统CMOS SRAM电路,并设计了以四相绝热CPAL(互补传输门绝热逻辑)电路为驱动电路的SRAM电路以降低动态功耗。进一步使用漏功耗减小技术对CPAL结构的SRAM电路进行优化。使用HSPICE软件对设计的SRAM电路进行仿真,验证了这种绝热SRAM电路功耗的先进性以及漏功耗减小技术的作用。3、设计了四相绝热PAL-2N(传输晶体管绝热逻辑)电路为驱动电路的SRAM电路,并结合沟道长度偏置技术、双阈值技术及功控休眠技术进一步对PAL-2N结构的SRAM电路进行优化。在NCSU PDK 45nm工艺下对所设计的SRAM电路采用全定制设计的方法从版图级验证了所设计的PAL-2N SRAM电路的总体能耗相比于CMOS SRAM减小了将近70%。4、近阈值技术是一种简单直接降低功耗的方法。通过对SRAM电路的工作电压和工作频率两者的衡量,来获得一个能耗延时积的最小点,从而得到SRAM电路的近阈值工作电压值。结果表明:当工作电压设置在近阈值区域时,能耗大大降低了。
【关键词】：绝热电路 近阈值技术 静态存储器 低功耗
【学位授予单位】：宁波大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 引言7-9
• 1 绪论9-12
• 1.1 课题的研究背景9-10
• 1.2 CMOS电路的功耗10
• 1.3 能量回收电路原理10
• 1.4 本课题的研究内容和总体框架10-12
• 2 CMOS电路静态功耗12-18
• 2.1 CMOS电路漏电流来源12-14
• 2.1.1 亚阈值漏电流12-13
• 2.1.2 栅漏电流13
• 2.1.3 漏源与衬底之间的PN结反偏漏电流13-14
• 2.2 漏功耗减小技术14-17
• 2.2.1 功控休眠技术14-15
• 2.2.2 双阈值技术15-16
• 2.2.3 P型电路设计结构16
• 2.2.4 沟道长度偏置技术16-17
• 2.3 本章小结17-18
• 3 CPAL SRAM电路设计及其优化18-38
• 3.1 CPAL电路18-21
• 3.1.1 CPAL电路的基本结构18-20
• 3.1.2 CPAL电路的漏功耗20-21
• 3.2 CPAL SRAM电路的设计21-31
• 3.2.1 SRAM存储单元电路22-27
• 3.2.2 地址译码器27-28
• 3.2.3 读写驱动电路28-29
• 3.2.4 CPAL SRAM电路29-31
• 3.3 CPAL SRAM电路的优化31-37
• 3.3.1 应用双阈值技术的CPAL SRAM31-33
• 3.3.2 应用沟道长度偏置技术的CPAL SRAM33-35
• 3.3.3 近阈值技术35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 PAL-2N SRAM电路设计及优化38-56
• 4.1 PAL-2N电路38-40
• 4.1.1 PAL-2N电路的基本结构38-40
• 4.1.2 PAL-2N电路的漏功耗40
• 4.2 PAL-2N SRAM电路及版图设计40-48
• 4.2.1 全定制设计方法41-44
• 4.2.2 存储单元电路以及版图44-46
• 4.2.3 地址译码器电路46
• 4.2.4 读写驱动电路以及版图46-47
• 4.2.5 PAL-2N SRAM电路图以及版图47-48
• 4.3 PAL-2N SRAM电路的优化48-54
• 4.3.1 应用沟道长度偏置技术的PAL-2N SRAM48-49
• 4.3.2 应用双阈值技术的PAL-2N SRAM49-50
• 4.3.3 应用DTCMOS技术和沟道长度偏置技术的PAL-2N SRAM50-51
• 4.3.4 应用功控技术的PAL-2N SRAM电路51-53
• 4.3.5 近阈值技术53-54
• 4.4 本章小结54-56
• 5 基于Fin FET技术的SRAM电路56-63
• 5.1 基于Fin FET晶体管的电路56-58
• 5.2 基于Fin FET晶体管的PAL-2N电路58
• 5.3 SRAM电路58-61
• 5.4 本章小结61-63
• 6 总结63-64
• 参考文献64-67
• 在学研究成果67-68
• 致谢68-69
• 摘要69-70
• abstract70

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 蔡小波;张学杰;;一种基于QoS参数归约的云计算环境能效评估方法[J];计算机工程与科学;2014年12期

2 丁有伟;秦小麟;刘亮;王涛春;;一种异构集群中能量高效的大数据处理算法[J];计算机研究与发展;2015年02期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 王庆;面向嵌入式多核系统的并行程序优化技术研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 朱素霞;面向多核处理器确定性重演的内存竞争记录机制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

3 龙赛琴;云存储系统中的数据布局策略研究[D];华南理工大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前7条

1 刘明超;多存储层次能效散列连接算法[D];浙江工业大学;2013年

2 吴岩;QoS约束下的能效查询处理与优化[D];浙江工业大学;2013年

3 陈金丹;近阈值标准单元包研究[D];宁波大学;2013年

4 陈麒;近阈值绝热电路设计研究[D];宁波大学;2013年

5 李振礼;基于双逻辑映射技术的低漏功耗标准单元包设计[D];宁波大学;2014年

6 朱红燕;功率感知DBMS的实时功率建模与控制[D];浙江工业大学;2014年

7 王萌;基于动态电压与频率调节的能效数据库查询处理[D];浙江工业大学;2014年

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本文编号：1125383