X处理器中高速寄存器文件全定制设计与实现

发布时间：2020-05-22 13:54

【摘要】： “存储墙”问题是近年来制约微处理器访问速度提升的一个重要因素,而位于数据通路关键路径上的寄存器文件的访问速度首当其冲。X处理器是一款64位多核多线程高性能微处理器,其整数寄存器文件的频率较高,规模较大,端口较多,是项目中的一个重点和难点。鉴于目前基于标准单元半定制设计的寄存器文件速度难以满足设计要求,因此有必要对其进行全定制设计。高速寄存器文件的全定制设计和实现对于自主研发CPU具有重要的理论研究意义和工程实用价值。 本文在0.13μm CMOS工艺下实现了一款3读2写端口,128字×72位,支持多线程的整数寄存器文件。典型情况下版图模拟结果表明:读出延时小于700ps,写入延时小于570ps。与基于标准单元的半定制综合结果相比,最大访问时间由1.05ns下降到700ps以内,优化了约33%;面积由598793μm~2缩小到455600μm~2以内,优化了约24%,两者均达到了设计目标。 本文设计时主要从追求高速度的角度出发,并注意综合考虑可靠性和面积等因素。结合理论分析和模拟比较,针对影响寄存器文件速度的主要因素进行了优化: 1)结合该寄存器文件支持多线程的特点,采用4线程并行读出后判断选择的策略,有效的减小了关键路径的延时; 2)设计一种改进型的动态多米诺译码器,比传统的多米诺或门译码器有约12%的速度提升; 3)在读出选择电路、译码器等多个关键的电路采用了电荷补偿技术,提高了与传输管有关的电路约10%～20%的传输速度。
【图文】：

当基于标准单元半定制设计方法难以满足其性能需求的时候，必须对其进行全定制设计。2)为了减小芯片面积。根据半导体工业协会的统计(如图1.2)，在过去的十年里，存储器在芯片面积上所占的比例越来越大，可以预见在未来的五年里这个比例将继续增长，甚至有可能达到占芯片总面积的94%以上。利用存储器的阵列结构比较规则的特点，采取全定制的设计方法可以取得显著的面积优势。存存存存存存存储器器 CCCaeheeeeeee存储器磁盘阵列 612姗100ns10关8匕口S，﨏哪1ns寄存器容鼠:50OB速度:0甲25ns图1.1一个典型的多级存储器层次结构I2]片歹‘呈‘·。;一f飞:]一c):丘!。八了王，;货，，，kf·。了)F‘)了”‘·

图3.12改进型的动态多米诺电路为此，如图3.12所示，本文在应用的时候将这种动态多米诺门加以改进:1)为NS管提供一个单独的时钟控制NMOS管，即图3.12中的N6管。通调节N6管的尺寸使得其放电速度比N4管略慢，这样当N6导通的时候，A点经过了一段时间的放电，电平已经降到足够低，可以将NS管关闭，PI管打开;2)由于读写位线是高电平有效，而图3.11中译码器选中的情况时输出是低平，所以本文在其后加了一级反相器对其逻辑取反。同时将原B点的电补偿管连接到了反相器的输出端。这样就不必等到A点被拉低才对B点行泄漏电荷补充，B点可以及时得到电荷补充，不仅抑制了毛刺的产生。这种动态多米诺电路与图3.11所示的结构相比较，在速度、可靠性和功上都获得了一定的收益。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP333

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本文编号：2676098