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

Պրոցեսորային ինտեգրալ սխեմաների էներգասպառման նվազեցման միջոցների մշակումը և հետազոտումը

Բաբայան, Դավիթ Ռոբերտի (2017) Պրոցեսորային ինտեգրալ սխեմաների էներգասպառման նվազեցման միջոցների մշակումը և հետազոտումը. PhD thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան .

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

Download (25Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1052Kb) | Preview

      Abstract

      Ժամանակակից ԿՄՕԿ ինտեգրալ սխեմաներում (ԻՍ) տրանզիստորների հոսքուղու երկարության անընդմեջ նվազման արդյունքում այժմ այն հասել է ընդհուպ մինչև 7 նմ-ի: Տվյալ միտումը բարձրացնում է ԻՍ-ում ինտեգրացման աստիճանը և ստատիկ հզորության արժեքը (պայմանավորված ԿՄՕԿ տեխնոլոգիական առանձնահատկություններով, պասիվ վիճակում կորստի հոսանքներով): Այժմ ԻՍ-երի էներգասպառման նվազեցումը հանդիսանում է նախագծման հիմնական մարտահրավերը: Դրանց բացարձակ էներգասպառումը հասել է ընդհուպ մինչև մի քանի հարյուր վտ-ի, իսկ տեսակարարը մոտեցել է միջուկային ռեակտորի համանման մեծություններին: Այդ մարտահրավերն առավել արդիական է պրոցեսորային ԻՍ-երի պարագայում, քանի որ դրանք պարունակում են ամենաշատ քանակի տրանզիստորներ մեկ հանգույցում: Գերմեծ պրոցեսորային ԻՍ-ում շատ մեծ կարևորություն ունի հաճախությունը, որը պարբերաբար աճում է բավարարելու համար տեխնիկական առաջադրանքը և արդի ծրագրային մարտահրավերները: Հայտնի է, որ էներգասպառումը համեմատական է հաճախությանը: Պրոցեսորային համակարգերը հիմնականում կազմված են թվային սինքրոն հանգույցներից, որոնք կառավարվում են սինքրո ազդանշանի միջոցով, որն ունի ամենամեծ ճյուղավորման գործակիցը սխեմայում, կատարում է ամենաշատ փոխանջատումը և հետևաբար ամենամեծ դինամիկ հզորության բաժինը բաշխվում է հենց դրա վրա: Հայտնի է, որ էներգասպառումը համեմատական է նաև սնուցման լարման քառակուսուն, որի արժեքը շարունակաբար փոփոխվելով հասել է մինչև 0,65 Վ-ի և դրա հետագա նվազեցումը սահմանափակվում է տեխնոլոգիական գործընթացով և շեմային լարման արժեքով: Էներգասպառումը ԻՍ-ում բաժանվում է երկու հիմնական բաղադրիչների` ստատիկ և դինամիկ: Ստատիկ հզորությունը, որպես կանոն, պայմանավորված է պասիվ ռեժիմում ԿՄՕԿ ԻՍ-ի կորստյան հոսանքներով, որն էլ իր հերթին բաժանվում է երեք տարատեսակի՝ ենթաշեմային, փականի միջով անցնող և հակառակ շեղված անցման հոսանքներով պայմանավորված կորուստ: Դինամիկ հզորությունը ներառում է երկու բաղադրիչ՝ պայմանավորված փոխանջատման և կարճ միացման հոսանքներով: Փոխանջատման հզորությունը դա սխեմայի փոխանջատման ժամանակ առաջացած էներգասպառում է: Կարճ միացման հզորությունը դա այն էներգասպառումն է, երբ միաժամանակ կիսով չափ բաց են և P-ՄՕԿ և N-ՄՕԿ տրանզիստորները (կամ տրանզիստորային հանգույցները), որի ընթացքում տեղի է ունենում սնուցման և հողանցման դողերի միջև ուղիղ միացում: Известно, что в современных комплементарных металл - оксид-полупроводниковых (КМОП) интегральных схемах (ИС) длина канала транзисторов постоянно уменьшается, достигнув в самых передовых технологиях значения 7 нм. Вследствие этого в современных ИС повышаются уровень интеграции и значение энергопотребления, обусловленные утечками тока в статическом состоянии, что является особенностью КМОП технологии. В настоящее время одной из ключевых задач проектирования является минимизация энергопотребления в ИС. Абсолютное значение потребляемой мощности достигло уровня нескольких сот ватт, а удельное значение сравнимо с мощностью ядерного реактора. Эта проблема наиболее актуальна в современных процессорных ИС, поскольку они содержат от сотен тысяч до миллиардов транзисторов. Другим основным параметром, имеющим существенное значение в проектировании сверхбольших процессорных ИС, является тактовая частота, которая растет при переходе к каждому следующему поколению цифровых устройств. Рост частоты при этом обусловлен необходимостью решения новых, более сложных задач цифровой электроники. Известно, что энергопотребление ИС растет пропорционально тактовой частоте. Процессорные системы в основном состоят из цифровых блоков, которые тактируются синхросигналом, имеющим наибольший коэффициент разветвления в схеме и, тем самым, производящим наибольшее число переключений. Таким образом, большая часть динамической мощности потребляется на пути распространения синхросигнала. Существует закономерность, согласно которой энергопотребление квадратно пропорционально напряжению питания, численное значение которого, уменьшаясь с развитием технологий, на данный момент достигло отметки 0,65 В. Дальнейшее понижение напряжения питания ограничено технологическим процессом и величиной порогового напряжения транзисторов. На сегодняшний день существует ряд направлений исследований, проводимых разными группами авторов с целью минимизации энергопотребления ИС. Из наиболее известных решений следует отметить многоисточниковое питание с различными напряжениями, использование транзисторов с разными пороговыми напряжениями (разнопороговыми), стробирование синхросигнала и/или мощности. Использование вышеуказанных методов позволяет уменьшить энергопотребление в процессорных ИС. Тем не менее, достигнутые результаты зачастую не соответствуют существующим требованиям к энергопотреблению. Это создает предпосылки для новых исследований, которые позволят достигнуть желаемого снижения энергопотребления, сохраняя при этом приемлемое быстродействие и не увеличивая существенно площадь полупроводникового кристалла. Данная диссертационная работа посвящена именно такому компромиссному решению проблемы минимизации энергопотребления процессорных ИС. In modern CMOS integrated circuits, the length of transistors channel is constantly decreasing and now it has reached down to 7 nm. This tendency increases the density of integrated circuit and static power consumption (mainly conditioned by CMOS technology specifics, as in inactive mode it has leakage currents). Currently the main approach and challenge of IC design is the big power consumption, and the ways of reducing it. Now the absolute power consumption of circuits is close to few hundred Watts, and specific value is even comparable with the appropriate values of nuclear reactor. These challenges are more emerging in case of processors design, as they contain the biggest quantity of transistor in indicated sub-block. Another crucial metric in processors design is frequency which impacts overall processor characteristics including power and timing. In modern IC's operating frequency is constantly pushed higher in order to satisfy specification requirements and new features added on program level. It's known that frequency is proportional to power, and increasing of frequency accordingly increases the dynamic power consumption. Generally, processors systems consist of digital synchronous blocks, which are controlled by clock signal. The clock tree has the biggest distribution throughout the IC, branching in circuit and having highest switching activity, therefore it has the biggest contribution in the dynamic power consumption. The power consumption is also proportional to the square of the supply voltage, where the value of supply voltage is constantly decreasing and reaching down to 0.65V. Currently, those values have reached their limit (minimum available value for technology node), as they are restricted both by from technological process and by threshold voltages, since there should be fixed gap between threshold and supply voltages. Power consumption is divided into two parts, static and dynamic. In CMOS technology, static power mainly caused by leakage power, which contains 3 main leakage components, 1) subthreshold leakage 2) gate leakage 3) reverse biased junction. The dynamic power consumption consists of two components, switching and short circuit currents. In case of processors, both static and dynamic components are huge in recent process nodes. The simultaneous reduction of leakage and dynamic power consumption is one of the main challenges of IC design.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Разработка и исследование средств минимизации энергопотребления процессорных интегральных схем. Research and development of low power design means for processors.
      Uncontrolled Keywords: Бабаян Давид Робертович, Babayan Davit Robert
      Subjects: Control, Automation and Electrical Engineering
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 11 Sep 2017 14:55
      Last Modified: 11 Sep 2017 14:55
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/5564

      Actions (login required)

      View Item