Estimación de la actividad de conmutación en circuitos digitales CMOS VLSI
- Autores: María del Carmen Baena Oliva
- Directores de la Tesis: Carlos Jesús Jiménez Fernández (dir. tes.), Manuel Valencia Barrero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Número de páginas: 236
- Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Ramón Mazo Quintas (presid.), María del Pilar Parra Fernández (secret.), Antonio José Acosta Jiménez (voc.), José Manuel García Barrero (voc.), Piedad Brox Jiménez (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
La investigación que se ha desarrollado en esta Tesis se centra en el análisis de la actividad de conmutación real durante la operación de circuitos combinacionales CMOS integrados en tecnologías fuertemente submicrónicas. Para ello se han explorado las prestaciones de herramientas de diseño comerciales, se han propuesto metodologías de medida, se han aplicado técnicas de modelado y de diseño para bajo consumo, y se ha medido la actividad de múltiples circuitos de prueba en dos tecnologías de integración, de 0,35?m y de 65nm.
En este documento se presenta el trabajo de investigación que será defendido como Tesis Doctoral. Se ha desarrollado en la Universidad de Sevilla y en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla (IMSE, del Centro Nacional de Microelectrónica, CNM-CSIC), dentro del grupo de investigación TIC-180: Diseño de Circuitos Integrados Digitales y Mixtos, según el catálogo de la Junta de Andalucía. El trabajo se ha ejecutado dentro de diferentes proyectos de investigación ejecutados por el grupo TIC-180 y financiados en convocatorias europeas, nacionales y regionales.
Esta Tesis se enmarca en uno de los campos más dinámicos e impactantes del último siglo: el de la microelectrónica. Los inicios de la Electrónica a principios del siglo XX, en torno a las comunicaciones como aplicación y a las válvulas de vacío como tecnología, sufrieron una gran revolución a mediados de ese siglo con el nacimiento del transistor y, en los años sesenta, de los circuitos integrados. Esta nueva tecnología, la microelectrónica, inicia una explosión de aplicaciones que ha supuesto, probablemente, la mayor revolución, la más trepidante, dinámica e influyente, que ha conocido la humanidad. Su evolución ha seguido una función exponencial (ley de Moore), que se mantiene actualmente, por la que prácticamente se duplica la cantidad de transistores por chip: esto ha supuesto multiplicar la capacidad inicial por 109 en sólo 60 años. Una forma muy extendida de identificar la tecnología de fabricación del circuito integrado es por el tamaño mínimo de la anchura de puerta del transistor MOS, la cual ha experimentado un continuo proceso de disminución, casi lineal, desde un tamaño inicial un poco menor de 100 ?m, hasta las tecnologías submicrónicas de principios de este siglo XXI o las actuales de sólo algunas decenas de nanómetros.
En este tiempo, se ha separado la tarea de fabricación, que se realiza en una foundry, y la de diseño de los circuitos integrados. El trabajo de investigación del grupo TIC-180 se desarrolla en este último campo. Las tareas de diseño se realizan básicamente utilizando un conjunto de herramientas CAD (Computer-Aided Design): aplicaciones software de análisis, verificación, síntesis,..., pertenecientes o no a entornos de diseño comerciales, en nuestro caso todos ellos ejecutándose en plataformas multiusuarios con sistema operativo UNIX. El investigador, a la vista del conjunto de herramientas disponibles, selecciona y personaliza el entorno de diseño. Además, el diseño del circuito tiene que implementarse en una tecnología de una foundry que, en nuestro caso, esté accesible en nuestro centro.
Los trabajos de esta Tesis empiezan prácticamente con el comienzo de este siglo. La Microelectrónica es ya una ciencia y una tecnología madura, plenamente productiva en múltiples aplicaciones y con un claro dominio de las realizaciones digitales. Los chips contienen millones de transistores y la frecuencia de operación es muy alta, superando el centenar de megahercios. Con esta realidad, entre los retos y problemas de interés en el diseño de circuitos integrados digitales destacan la cuantificación precisa de la temporización en los chips y su consumo de potencia.
El efecto combinado de la reducción del tamaño de los dispositivos y del aumento en el número de transistores del chip tiene múltiples consecuencias que afectan de forma compleja y, a veces, con efectos contrapuestos, lo que da lugar a comportamientos difíciles de modelar. Así, a nivel lógico, los transistores conmutan a mayor velocidad y las capacidades intrínsecas son menores, efectos que tienden a aumentar la frecuencia máxima de operación así como a disminuir la potencia consumida por la puerta en cada conmutación. La frecuencia de operación del sistema, entonces, aumenta, lo que, por una parte, hace que se reduzca el tiempo en el que las señales están estables a 0 o a 1 y, por otra, se incrementa el número de transiciones en el circuito por unidad de tiempo. En estas condiciones, los problemas de temporización (mantenimiento de restricciones temporales, colisiones de señales, etc.) cobran importancia y se vuelven más críticos para la buena operación del sistema. Por su parte, el componente mayoritario de consumo de potencia en una puerta es el dinámico, que es directamente proporcional a su actividad de conmutación (cantidad de transiciones de 0 a 1 y de 1 a 0). Aunque la reducción de tamaño tiende a disminuir el consumo, el incremento de la actividad de conmutación lo aumenta, con lo que el efecto neto es dudoso. Por otro lado, si se tiene en cuenta el gran incremento del número de puertas en el chip, el efecto global es el aumento del consumo y, si se tiene en cuenta que también ha crecido la densidad de integración, el consumo por unidad de área también ha crecido. Estos incrementos causan un doble problema: uno es consecuencia de la cantidad de intensidad que se exige (con múltiples implicaciones en las especificaciones de la fuente y de las líneas de alimentación, en la generación de ruido de conmutación, etc.) y otro, del incremento de la temperatura en que se traduce el consumo energético y que puede dar lugar localmente a valores que incluso causen error en la operación de los circuitos. De todo ello se desprende la gran importancia que tiene, para la temporización y para el consumo, investigar el comportamiento dinámico de los circuitos digitales.
En esta línea de investigación, la del comportamiento dinámico de circuitos digitales a nivel de puertas, trabajaba intensamente el grupo de investigación TIC-180 a través de los proyectos ya indicados MODEL, VERDI, etc., y en ellos se plantean los objetivos de esta Tesis, contribuyendo a la investigación global del grupo, en particular, en el estudio de la actividad de conmutación en circuitos digitales combinacionales integrados en tecnologías CMOS submicrónicas.
Esta Memoria presenta los resultados principales del trabajo de investigación que constituye esta Tesis. La organización de este documento es como sigue:
� En el Capítulo 2 se describen los principios científico-técnicos relacionados más directamente con la actividad de conmutación y se hace una revisión del estado actual del conocimiento sobre ello. Concretamente, se presenta la propagación de señales por circuitos combinacionales que dan lugar a actividad de conmutación. Esta actividad tiene como importantes consecuencias el consumo de potencia y la generación de ruido de conmutación, temas ambos que son brevemente desarrollados. Por último se presentan tres cuestiones genéricas para realizar en la práctica las medidas de esa actividad de conmutación.
� El Capítulo 3 se centra en las medidas de la actividad de conmutación realizadas con herramientas comerciales sobre circuitos implementados en la tecnología ams 0.35?m. En este capítulo se presenta la metodología de medida, lo que, entre otras cosas, incluye la propuesta de un procedimiento original para la selección de los patrones de estímulos y la planificación de medidas a realizar. Así mismo, se presentan los valores de medidas de actividad de conmutación obtenidas para esos circuitos usando simulación lógica, para diferentes modelos de retraso de la librería de celdas de ams de 0,35?m y explorando la influencia del análisis post-layout. Se describe también cómo se obtienen las medidas mediante simulación eléctrica, se presentan estas medidas y se analizan los resultados. Finaliza este capítulo con un pequeño resumen de los resultados más destacables.
� El contenido del capítulo 4 refleja los trabajos de medida de actividad de conmutación para los mismos circuitos y tecnología anterior, con el cambio fundamental del modelo de retraso. Esta parte del trabajo ha sido realizada de forma colaborativa por varios investigadores del equipo TIC-180 e incluye el desarrollo de un modelo de retraso que reproduce el efecto de degradación (DDM: Degradation Delay Model), la caracterización de las puertas de esta tecnología para el modelo DDM, la puesta en pie de un simulador lógico que puede manejarlo (Halotis) y, obviamente, la medida de la actividad de conmutación con esta última herramienta. Entonces, se procede a comparar los resultados de esta herramienta con los obtenidos previamente. Como el anterior, finaliza este capítulo con un pequeño resumen de lo más destacable.
� En el Capítulo 5 se presentan nuestros trabajos de investigación para explorar la influencia de la tecnología y de las técnicas de mejora local del consumo de potencia en la actividad de conmutación. A este fin, se continúa con las medidas de actividad de conmutación, ahora para una implementación de los circuitos en la tecnología st de 65 nm. Los valores obtenidos son comparados de una forma doble: por una parte, se comparan entre sí siguiendo líneas de análisis paralelas a las del capítulo 3; por otra, se comparan con los obtenidos en ese capítulo con el fin de establecer cómo afecta el cambio de la tecnología. También se presenta un estudio a nivel de estructura de circuito, sobre el que se aplican técnicas de rediseño local y se analizan los cambios que originan en la actividad de conmutación. Los resultados son analizados y, como en los otros casos, finaliza este capítulo con un pequeño resumen de lo más destacable.
� Finalmente, se resumen las principales conclusiones.
