本书从多个角度对超大规模集成电路VLSI的低功耗设计方法进行介绍。首先,从SoC芯片的角度出发介绍大规模集成电路的低功耗来源、发展趋势及功耗的评估和验证,这部分对于理论和内容都是从数字电路系统级角度出发,针对当前大规模SoC芯片的最新技术和成果进行论述。其次,从微电子的固态电路设计角度出发,较为详细地介绍亚阈值晶体管、低功耗低噪声放大器、低功耗Sigma-Delta模数转换器等晶体管电路低功耗设计原理与趋势。然后,主要介绍半导体领域的一个重要分支——存储器的高性能低功耗设计,并重点论述静态随机存储器和阻变存储器两个特征明显的存储器。最后对芯片未来的低功耗技术发展趋势进行阐述。
样章试读
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《信息科学技术学术著作丛书》序
前言
第1章 集成电路功耗来源1
1.1动态切换功耗1
1.2瞬时短路功耗2
1.3静态功耗4
第2章 低功耗的设计与实现6
2.1系统级实现6
2.1.1动态电压/频率调节技术介绍6
2.1.2分块耗能控制的自动DVFS在能量受限的NoC通信模块上的应用16
2.1.3在线学习进行系统级能量控制18
2.1.4带有DVFS的多分区的内存结构20
2.1.5多时钟域处理器中的集成CPU高速缓存功耗管理22
2.2算法级实现(通过较少总线上比特翻转的次数减少功耗)26
2.2.1编译码算法27
2.2.2Markov模型28
2.2.3减少比特翻转次数的算法29
2.3结构级低功耗设计方法30
2.3.1总线的低功耗设计30
2.3.2存储器优化31
2.3.3预运算技术31
2.3.4并行技术31
2.3.5流水线技术32
2.4寄存器传输级(RTL)和门级(Gate-level)低功耗设计37
2.4.1时钟门控37
2.4.2动态频率调整(DFS)技术39
2.4.3电源门控技术40
2.4.4信号门控41
2.5电路级41
2.5.1电荷循环总线结构41
2.5.2多米诺逻辑47
2.6工艺级50
2.6.1多阈值电压50
2.6.2多电压技术54
2.6.3Gate Sizing59
2.6.4面积优化技术63
第3章 功耗评估67
3.1基于模拟方法的Fractal算法低功耗估计67
3.2混合级别功率估计68
3.3存储器的功率估计70
第4章 亚阈值MOS晶体管72
4.1MOS工艺概述72
4.2MOS器件模型73
4.2.1MOS管I/V特性73
4.2.2二阶效应76
4.3亚阈区设计考虑78
4.3.1PVT变量78
4.3.2匹配性79
4.3.3噪声81
4.4极低功耗亚阈值MOS晶体管电路设计82
4.4.1MOS晶体管泄漏机理83
4.4.2MOS晶体管泄漏降低技术87
4.5亚阈值CMOS逻辑中的参数变化影响89
4.5.1噪声裕度90
4.5.2能耗92
4.6小结94
第5章 低功耗、低噪声放大器95
5.1芯片中的噪声95
5.2低频噪声及失调电压消除技术98
5.3斩波调制放大器设计104
5.3.1传统斩波调制放大器设计104
5.3.2低阻结点斩波调制放大器设计107
5.4亚阈值心电放大器设计110
5.5小结115
第6章 低功耗Sigma-Delta模数转换器116
6.1Sigma-Delta模数转换器基础116
6.2Sigma-Delta模数转换器结构119
6.2.1单环调制器结构119
6.2.2多级噪声整形调制器结构122
6.2.3多位量化调制器结构123
6.3Sigma-Delta调制器的性能参数125
6.4低功耗Sigma-Delta调制器电路设计126
6.4.1前馈Sigma-Delta调制器结构127
6.4.2采样开关运算放大器129
6.4.3低功耗运算放大器132
6.4.4低功耗比较器136
6.5小结138
第7章 低功耗高速静态随机存储器139
7.1存储器说明139
7.2SRAM的设计基础141
7.2.1基于CMOS工艺SRAM的电路结构141
7.2.2SRAM的性能指标144
7.3SRAM的高速低功耗设计技术150
7.3.1SRAM的译码电路功耗151
7.3.2数据通路的高速低功耗设计技术164
7.3.3SRAM的低功耗结构优化技术174
7.4小结186
第8章 低功耗阻变存储器187
8.1阻变存储器说明187
8.2阻变存储器的低功耗操作190
8.2.1RRAM的低功耗高可靠写入操作194
8.2.2RRAM的低功耗高可靠读出操作198
8.3阻变存储器的热效应203
8.4小结210
第9章 低功耗集成电路发展趋势分析211
9.1低功耗SoC的技术发展趋势分析211
9.2低功耗混合信号集成电路发展方向分析211
9.3低功耗存储器电路的未来发展方向214
参考文献216