Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների մուտքի/ելքի հանգույցների էներգասպառման նվազարկման ծրագրային միջոցների մշակում և հետազոտում

Ստեփանյան, Արթուր Գագիկի (2011) Գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների մուտքի/ելքի հանգույցների էներգասպառման նվազարկման ծրագրային միջոցների մշակում և հետազոտում. PhD thesis, ՀՀ ԳԱԱ Ինֆորմատիկայի և ավտոմատացման պրոբլեմների ինստիտուտ.

[img] PDF (Abstract)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (827Kb)

    Abstract

    Վերջին տարիներին գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների(ԳՄԻՍ) զարգացման հիմնական միտումներն էին դրանց արագագործության և ինտեգրացիայի աստիճանի մեծացումը, սնման լարումների փոքրացումը և այլն: Սակայն, այդ զարգացումներին զուգընթաց, հաճախ որակապես փոխվել են նաև ԳՄԻՍ-երի նախագծման գործընթացի առաջնայնությունները: Ներկայումս կարևորագույն հիմնահարցն է համարվում ԳՄԻՍ-երի էներգասպառման նվազարկումը: Պատճառները պայմանավորված են ոչ միայն և ոչ այնքան աշխատանքային հաճախականությունների μարձրացմամμ պայմանավորված ԳՄԻՍ-երի կողմից սպառվող հզորության դինամիկ μաղադրիչի, որքան դրանց կազմում ընդգրկված ԿՄՕԿ տրանզիստորների կորստային հոսանքի էական աճմամμ: Բանը նրանում է, որ հզորության նվազեցման և տրանզիստորի էլեկտրական դաշտի հաստատուն պահման նպատակով, շարունակաμար փոքրացվում է նաև սնման լարումը: Արդյունքում, ԿՄՕԿ տրանզիստորի շեմային լարումը ևս նվազեցվում է սնուցման լարման մասշտաμավորման չափով, ինչի պատճառով էականորեն մեծացել է ԿՄՕԿ տրանզիստորի կորստային հոսանքը: Բավական է նշել միայն, որ 65նմ և ավելի փոքր տեխնոլոգիաներում, կորստային հոսանքը հաճախ կազմում է սպառվող արդյունարար հզորության կեսից ավելին: Այդ պատճառով, ժամանակից ԳՄԻՍ-երի նախագծման կարևորագույն խնդիրն է դարձել դրանց էներգասպառման նվազարկումը: Վերջերս շոշափելի դրական արդյունքներ են գրանցվել ԳՄԻՍ-երի հիմնական μաղադրիչի՝ դրանց միջուկի էներգասպառման նվազարկման ուղղությամμ: Սակայն այդ առումով հետազոտությունների դաշտից դուրս են մնացել ԳՄԻՍ-երի չափազանց կարևոր μաղկացուցիչները՝ մուտքի/ելքի(Մ/Ե) հանգույցները: Հայտնի է, որ ԳՄԻՍ-երի արտադրման տեխնոլոգիական գործընթացների զարգացմանը զուգընթաց, Մ/Ե հանգույցների դերն անշեղորեն մեծանում է: Դա արտահայտվում է ինչպես Մ/Ե հանգույցների իրագործած ֆունկցիաների ցանկի (արտաքին միջավայրի և ԳՄԻՍ-ի միջուկի միջև տեղեկատվության փոխանակում, ազդանշանների լարման մակարդակների և հաղորդման արագությունների համաձայնեցում, Էլեկտրաստատիկ պարպումից պաշտպանություն և այլն) ընդլայնմամμ և դրանց պարամետրերի քանակի մեծացմամμ, այնպես էլ` ԳՄԻՍ-երի ինտեգրալ μնութագրերի վրա վերջիններիս ունեցած ազդեցությունների անշեղ մեծացմամμ: Այս ամենի արդյունքում Մ/Ե հանգույցների մշակումը հաճախ կապված է ավելի մեծ μարդությունների հետ, քան μուն ԻՍ-երի միջուկներինը: Բավական է նշել միայն, որ ժամանակակից ԻՍ-երի խափանումների մոտ 85%-ը պատկանում է հենց Մ/Ե հանգույցներին: Սակայն Մ/Ե հանգույցների կարևորագույն առանձնահատկությունն է դրանց կողմից անթույլատրելի մեծ էներգասպառումը: Պատճառներն ակնհայտ են՝ Մ/Ե հանգույցների տարμեր հատվածները, որպես կանոն, սնուցվում են իրարից տարμերվող երկու լարումներից որևէ մեկով: Դրանցից մեկը հավասար է, իսկ մյուսը էապես գերազանցում է ԻՍ-ի միջուկի սնման լարմանը: Բացի այդ, ՄԵՀ-ների առանձին հատվածների աշխատանքային հաճախականությունները նույնպես ավելի մեծ են միջուկի համապատասխան ցուցանիշից: Այս ամենը վկայում են այն մասին, որ Մ/Ե հանգույցների էներգասպառման նվազարկման խնդիրը ներկայումս պակաս կարևոր չէ, քան ԻՍ-ի միջուկինը: Սակայն, եթե ներկայումս առկա են ԻՍ-երի միջուկների էներգասպառման նվազարկման արդյունավետ համակարգեր, ապա Մ/Ե հանգույցների պարագայում դրանք μացակայում են: Այդ պատճառով էլ գերմեծ ինտեգրալ սխեմաների Մ/Ե հանգույցների էներգասպառման նվազարկման ծրագրային միջոցների ստեղծման ուղղությամμ տարμեր հեղինակների և կոլեկտիվների կողմից սկսվել են իրականացվել ինտենսիվ աշխատանքներ: Սակայն այդ աշխատանքների արդյունքների վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ ստացված ծրագրային միջոցները չեն μավարարում Մ/Ե հանգույցների գործնական մշակման ժամանակակից պահանջներին: Էներգասպառման նվազարկման ներկայումս հայտնի, առաջադեմ և փորձարկումների ժամանակ լավ արդյունքներ ցուցաμերած մեթոդների կիրառմամμ Մ/Ե հանգույցների համար նույն նպատակին ծառայող համապիտանի ծրագրային միջոցներն ուղղակիորեն μացակայում են, իսկ գոյություն ունեցողները միայն առանձին դասերի Մ/Ե հանգույցների դեպքում ապահովում են Մ/Ե հանգույցների էներգասպառման ընդամենը աննշան նվազարկում: Диссертация посвящена разработке и исследованию программного средства снижения энергопотребления узлов ввода/вывода (В/В) сверхбольших интегральных схем (СБИС). В последние годы основными тенденциями развития СБИС явились повышение их быстродействия и степени интеграции, уменьшение напряжений питания и т.д. Однако, параллельно с таким развитием, часто даже качественно изменялись приоритеты проектирования СБИС. В частности, если до недавнего времени основной проблемой проектирования СБИС считалось увеличение их быстродействия, то в настоящее время важнейшей задачей является проблема уменьшения энергопотребления СБИС. Причины такого положения обусловлены не только и не столько ростом динамической составляющей потребляемой СБИС мощности из-за роста рабочих частот, но и существенным увеличением токов утечки КМОП транзисторов, входящих в состав СБИС. Достаточно отметить только тот факт, что при технологиях изготовления СБИС 65нм и ниже, токи утечки часто составляют больше половины суммарных токов, потребляемых СБИС. Поэтому, важнейшей задачей проектирования СБИС в настоящее время является уменьшение их энергопотребления, в том числе и в статическом режиме функционирования СБИС. В последнее время достигнуты ощутимые положительные результаты в направлении минимизации энергопотребления основных компонентов СБИС – ядер. Однако в этом отношении за рамками исследований оказались другие чрезвычайно важные компоненты СБИС – узлы В/В. Известно, что параллельно с развитием технологических процессов изготовления СБИС, роль узлов В/В неуклонно возрастает. Это выражается как в расширении набора функций, реализуемых узлами В/В и увеличении количества их параметров, так и в неуклонном росте влияния последних на интегральные характеристики СБИС. В результате всего этого, разработка узлов В/В часто связана с большими сложностями, чем проектирование самих ядер СБИС. Однако, важнейшей особенностью узлов В/В СБИС является также их недопустимо большое энергопотребление. Поэтому, в настоящее время задача минимизации энергопотребления узлов В/В не менее важна , чем те же вопросы в случае ядра СБИС. Однако, если в настоящее время существуют эффективные средства понижения энергопотребления ядер СБИС, то в случае их узлов В/В таковые просто отсутствуют. Все изложенное обуславливает крайнюю необходимость создания программного средства минимизации энергопотребления узлов В/В СБИС, построенного новыми принципами. Целью диссертации является разработка принципов, методики и эффективного программного средства понижения энергопотребления узлов В/В СБИС. Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертации, приведены ниже. На основе выявления важности уменьшения энергопотребления узлов В/В СБИС и исследования существующих методов и пакетов, сформулированы требования, предъявляемые к подобным программным средствам. Обеспечение этих требований предоставляет возможность создания конкурентоспособных, с точки зрения обеспечения нужд практического проектирования СБИС, систем снижения их энергопотребления. Показаны эффективность и перспективность программного средства, удовлетворяющего сформулированным требованиям. The dissertation is devoted to the development and research of software tools of reducing power consumption of VLSI input/output (I/O) cells. In recent years, key development trends of VLSI are the increase of performance and integration level, reduction of supply voltage, etc. However, in parallel to these developments, the priorities of VLSI designs have often qualitatively changed, too. In particular, if until recently the main problem of VLSI design was considered an increase in performance, now the key problem is the issue of reducing power consumption of VLSI. The reasons are determined not only and not much by the increased dynamic component of power consumed by VLSI due to the increase of operating frequencies, but also the significant increase of leakage current of CMOS transistors, included in VLSI. It is only enough to mention that in 65nm and below technologies, the leakage current makes up often more than half of the overall power consumed by VLSI. That is why the reduction of their power consumption, including in the static mode of VLSI operation, is the most significant challenge of contemporary VLSI design. Recently, significant positive results have been achieved in the direction of reducing power consumption of the core which is the main component of VLSI. However, in this sense, extremely vital components of VLSI like I/O cells have been left out of research. It is known that along with the development of VLSI manufacturing technologies, the role of I/O cells constantly increases. It is expressed both by the expansion of the list of functions performed by I/O cells and the increase of the number of their parameters, and by constant increase of affects of the latter on integration characteristics of VLSI. As a result, the design of I/O cells is often associated with greater challenges than the design of the cores of VLSI. However, the most important feature of I/O cells of VLSI is the unacceptable high level power consumption by them. Therefore, the reduction of power consumption of I/O cells is currently not less important than the same issues of VLSI core. Yet, if currently there are available efficient systems to reduce power consumption of VLSI cores, in case of I/O cells the corresponding tools are missing. All the above-mentioned determines the urgent need of developing software tools for reducing power consumption of VLSI I/O cells of latest technologies. This work aims at the development of principles, technique and efficient software tools of reducing power consumption of VLSI I/O cells. The main results, obtained in the dissertation are provided hereinafter. Based on the studies of the revealing VLSI I/O cells and research of the existing methods and tools, the requirements set towards the development of similar software tools have been set forth. Meeting of these requirements provides an opportunity developing competitive systems of reducing power consumption of VLSI in terms of needs of practical design. Efficiency and perspective of software tool that meets the requirements set forth has been presented.

    Item Type: Thesis (PhD)
    Additional Information: Разработка и исследование программных средств снижения энергопотребления узлов ввода/вывода сверхбольших интегральных схем. Development and research of software tools of reducing power consumption of VLSI input/output cells.
    Uncontrolled Keywords: Степанян Артур Гагикович, Stepanyan Artur
    Subjects: Informatics and Computer Systems
    Divisions: UNSPECIFIED
    Depositing User: NLA Circ. Dpt.
    Date Deposited: 26 Sep 2016 11:15
    Last Modified: 26 Sep 2016 11:15
    URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/3485

    Actions (login required)

    View Item