автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка элементной базы цифровых устройств обработки информации на основе принципа термодинамической обратимости

На правах рукописи

ЛОСЕВ ВЛАДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАТИМОСТИ

05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре Интегральной Электроники и Микросистем в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Старосельский Виктор Игоревич

Официальные оппоненты: Корнилов Александр Иванович, ИППМ РАН, заведующий сектором. Першенков Вячеслав Сергеевич, МИФИ, зав. каф. Микроэлектроники

Ведущая организация: Физико-Технологический Институт Российской

Диссертационного Совета Д 212.134.01 по присуждению ученых степеней при Московском государственном институте электронной техники по адресу: Москва, 124498, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Академии Наук (ФТИАН)

Защита состоится <и

Ж /2.

2006 г. в часов на заседании

Автореферат разослан <е 7» 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н, профессор

С.А. Неустроев

Актуальность проблемы: В настоящее время особую актуальность приобретают исследования, направленные на снижение энергопотребления в цифровых устройствах обработки информации. Актуальность этого направления обусловлена тремя основными причинами: 1). Повышение степени интеграции цифровых БИС и плотности упаковки их элементов ограничивается возможностями теплоотвода, стоимость которого становится превалирующей, а возможности приближаются к теоретическому пределу. 2). В портативной электронной аппаратуре, работающей от автономных источников питания (универсальных и специализированных микропроцессорных системах, бортовых и мобильных телекоммуникационных устройствах, имплантируемых кардиостимуляторах и системах идентификации, бытовой электронной аппаратуре), существует проблема альтернативы между приемлемым сроком работы батарей или аккумуляторов, а также их весом и габаритами. 3). Охрана окружающей среды требует снижения нагрузки на системы кондиционирования и вентиляции, что, по-видимому, в ближайшем будущем приведет к установлению 15-амперного стандарта на рабочих станциях.

Одним из приоритетных направлений современной микроэлектроники является проектирование микромощных устройств производства и обработки информации (Low Power Design - LPD), охватывающее широкий круг методов снижения мощности, потребляемой интегральными схемами от источников питания. Методы LPD включают совершенствование технологии (снижение паразитных емкостей за счет уменьшения размеров и снижение питающих напряжений за счет уменьшения пороговых напряжений), оптимизацию топологических размеров, разработку энергетически эффективной архитектуры УБИС, создание новых активных элементов, а также использование новых принципов производства информации, (адиабатическая или термодинамически обратимая логика).

Последнее и наименее исследованное направление основано на возможности возврата в систему энергии, затраченной на производство информации, и ее повторного использования для последующих вычислений. Актуальность этого направления определяется чрезвычайно высокими предельными возможностями снижения энергопотребления. Практическая реализация адиабатических устройств производства информации требует создания не только соответствующей элементной базы (адиабатических базовых логических вентилей), но и адиабатических источников питания. Исследованию методов решения этих задач посвящена настоящая диссертация.

Работа выполнялась в рамках федеральных целевых научно-технических программ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения на 1996-2000 годы" и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы.

Цель работы состоит в систематизации методов построения адиабатических логических вентилей и источников питания, выявлении их наиболее перспективных вариантов, исследовании закономерностей энергопотребления и совершенствовании характеристик этих устройств.

Задачи исследования; Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

1) разработать классификацию методов построения адиабатических логических вентилей, источников питания, а также способов авторегулировки мощности подкачки и выявить наиболее перспективные варианты;

2) разработать методики оценки энергетической эффективности адиабатических логических вентилей и источников питания, а также методики определения их параметров;

3) установить закономерности энергопотребления логических вентилей и источников питания;

4) исследовать схемотехнические методы совершенствования характеристик адиабатических логических вентилей;

5) разработать практические схемы адиабатических источников питания, включающие систему авторегулирования мощности подкачки;

6) исследовать характеристики адиабатических вентилей и адиабатических источников питания методами компьютерного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведена классификация методов построения адиабатических базовых логических вентилей и источников питания, а также методов авторегулировки мощности подкачки в адиабатических драйверах шин питания, обеспечивающая возможности определения наиболее перспективных вариантов и целенаправленного поиска методов их совершенствования.

2. Установлены закономерности энергопотребления в наиболее перспективных адиабатических базовых логических вентилях и адиабатических источниках питания.

3. Обнаружен эффект аномально высокого энергопотребления в наиболее перспективных типах адиабатических вентилей 2п-2п2р и ЕСИЬ. Показано, что этот эффект связан с протеканием короткого импульса сквозного тока при смене логического состояния и предложен метод его нейтрализации.

4. Предложен способ схемотехнической организации адиабатического базового логического вентиля на основе только п-канальных МОП-транзисторов, обеспечивающий повышение плотности компоновки.

5. Предложен новый способ построения адиабатических источников питания резонансного типа на основе кольцевого генератора, обеспечивающий автоматическую синхронизацию выходных импульсов для произвольного числа фаз и автоматическую регулировку длительности импульсов подкачки.

6. Разработаны методики проектирования адиабатических источников питания, позволяющие произвести обоснованный выбор параметров цепи им-

пульсной подкачки мощности в адиабатических источниках питания резонансного типа, а также параметров переключающих транзисторов в адиабатических источниках питания на основе ступенчатого перезаряда напряжения нагрузочной емкости.

Практическая ценность работы:

1) Результаты работы создают основу для разработки энергетически эффективной элементной базы устройств производства и обработки информации с ограниченными ресурсами мощности и габаритами в частности, для универсальных и специализированных микропроцессорных систем, бортовых и мобильных телекоммуникационных устройств, систем идентификации, имплантируемых кардиостимуляторов, бытовой электронной аппаратуры.

2) Разработанные способы организации адиабатических источников питания могут найти применение в микроэлектронных устройствах, содержащих информационные шины большой емкости (формирователях тактовых импульсов цифровых БИС и УБИС синхронного типа, формирователях импульсов выборки БИС и УБИС ЗУ, формирователях тактовых импульсов ПЗС и др.), обеспечивая существенное снижение суммарного энергопотребления.

3) Установленные закономерности энергопотребления логических вентилей и источников питания позволяют определить целесообразность и эффективность их применения на ранних стадиях проектирования устройств производства информации.

4) Предложенный в работе новый тип логического вентиля позволяет реализовать адиабатические блоки цифровых устройств производства информации в виде микросхем с высокой плотностью компоновки, содержащих только п-канальные МОП-транзисторы.

Внедрение результатов работы: материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники (МИЭТ).

Достоверность результатов Достоверность разработанных методов и схемотехнических решений подтверждена результатами компьютерного моделирования с использованием хорошо апробированных моделей элементов. Получен патент на изобретение РФ № 2184418 по заявке № 2001120069 от 19.07.2001.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В классе асимптотически адиабатических базовых логических вентилей наилучшими характеристиками обладает вентиль типа lnlp, использующий коллапсирующие импульсы питания.

2. Реализация асимптотически бездиссипативной логики синхронного (конвейерного) типа на современном технологическом уровне нецелесообразна.

3. В классе квазиадиабатических базовых логических вентилей оптимальными являются статические вентили 2п-2п2р, а также динамические вентили ECRL и предложенные в работе вентили КАДЛ-п.

4. Зависимость энергии, рассеиваемой за цикл переключения в базовых логических вентилях 2п-2п2р и ECRL от тактовой частоты f и суммарной емкости вентиля и нагрузки С в рабочем частотном диапазоне имеет вид W ~ f acl+a, где 0 < а < 1.

5. Оптимальным способом построения адиабатических источников питания резонансного типа является использование кольцевого генератора в сочетании с системой авторегулирования длительности импульса подкачки.

Апробацпя Работы: Основные положения и результаты диссертационной работы были докладывались и обсуждались на Всероссийской н.-т. конференции "Микроэлектроника и информатика-99", (Москва, МИЭТ, 1997 г.), 7 Всероссийской межвузовской н.-т. конференции "Микроэлектроника и информа-тика-2000", (Москва, МИЭТ, 1997 г.), III международной н.-т. конференции

"Электроника и информатика - XXI век". (Москва, МИЭТ, 2000 г.), Всероссийской н.-т. конференции "Микро- и наноэлектроника-2001" (Звенигород, 2001 г.), I Всероссийской научно-технической дистанционной конференции "Электроника" (Москва, МИЭТ, 2001 г.), IV Международной н.-т. конференции "Электроника и информатика-2002" (Москва, МИЭТ, 2000 г.), International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003" ICMNE-2003 (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2003), International Conference "Micro- and nanoelectronics -2005" ICMNE-2005 (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2005), а также на научных семинарах ФТИАН и кафедры ИЭМС МИЭТ.

Публикации: По результатам работы опубликовано 3 статьи, 9 тезисов конференций, 6 научно-технических отчетов о НИР, получено решение № 2184418 о выдаче патента на изобретение.

Структура и объем диссертации . Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 137 листах основного текста, содержит 61 рисунок и И таблиц к основному тексту, список литературы из 54 наименований. Приложений 1.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В общей характеристике работы обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цели и основные задачи работы, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов работы и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе литературных данных анализируется состояние проблемы построения адиабатических устройств производства информации. Возможность бездиссипативного производства информации доказана теоретически. Сформулированы требования к составу универсального адиабатического вентиля и условия, обеспечивающие его термодинамически равновесное переключение: 1) наличие трех равновесных состояний; 2) установка

входной информации в свободном состоянии; 3) сохранение входной информации в течение всего цикла; 4) отсутствие люфтов.

Наибольший практический интерес представляет реализация электронной адиабатической логики на основе традиционного элементного базиса микроэлектроники. В этом направлении достигнуты существенные результаты, подтвержденные машинными экспериментами и созданием демонстрационных образцов. Уже сейчас использование принципа термодинамической обратимости позволяет снизить энергетические потери на 1...2 порядка.

На основе анализа известных технических решений разработана классификация адиабатических логических вентилей по по степени адиабатичности, принципу действия, способам выполнения условий адиабатичности, способам сохранения информации и режиму работы (рисунок 1). Для оценки предельной энергетической эффективности вентилей предложен и использован метод У0~ диаграмм. Предложенная классификация позволяет выделить наиболее перспективные решения и определить направления их возможного совершенствования.

Проблема создания адиабатических устройств производства информации осложняется необходимостью применения адиабатических источников многофазного импульсного питания (драйверов шин питания). Проведенный анализ известных решений позволил произвести их классификацию по принципу действия, способу подключения нагрузки и способу подкачки мощности (рисунок 2). Выделены наиболее перспективные варианты организации драйверов и направления их совершенствования .

ЭЛЕКТРОНАЯ АДИАБАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА

I АССИМПТОТИЧЕСКИ АДПАЬАТПЧКСКАя"| | КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКАЯ |

| СТАТИЧЕСКОГО ТИПА~| | ДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА | | АССИМПТОТИЧЕСКИ АДИАБАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКАМИ

Способ реализации 3-х состояний

ЙД Способ сохранения / \ информации

Коллапсирующие импульсы питания

Обратные вычисления

Асинхронный режим

2е

Логически реверсивная

Конвейерный режим

Тип логики

| КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКАЯ ЛОГИКА СТАТИЧЕСКОГО ТИПА (степень адиабатичности 2) |

Режим работы

Асинхронный режим работы

Тип логики

Конвейерный режим работы (запоминающий триггер, прямые и инверсные сигналы)

1П1 р

2п-2п2р 4-фазное питание

САЬ 1-фазное питание

Способ предзаряда запоминающей емкости

Предзаряд запоминающей емкости через выпрямляющий элемент (степень адиабатичности 1)

Хранение информации на выходной емкости

1-фазное питание 4-фазное питание

ЯЕЬ АЭЬ

Предзаряд запоминающей емкости через транзистор (степень адиабатичности 2)

Хранение информации на внутренней емкости

Использование прямых и инверсных сигналов

Бутстрепный эффект при заряде выходной емкости (степень адиабатичности 0-3)

НСпМ08 2 фазы питания

ЕСЯЬ 4 фазы питания

Рисунок 1. Классификация электронной адиабатической логики.

АДИАБАТИЧЕСКИЕ ДРАЙВЕРЫ ШИН ПИТАНИЯ

РЕЗОНАНСНЫЕ

СО СТУПЕНЧАТЫМ ПЕРЕЗАРЯДОМ ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКИ

Тип резонатора

С РЕЗОНАНСНЫМ 1С КОНТУРОМ

С ВОЛНОВОДНЫМ РЕЗОНАТОРОМ

Способ подключения нагрузки

-»о

Отключаемая нагрузка

Накопительные конденсаторы

Электронная коммутация шин

С накопительными конденсаторами

С элеетроиной коммутацией-шин

Тип драйвера

Рисунок 2. Классификация адиабатических драйверов шин питания по принципу действия, способу подключения нагрузки и способу подкачки мощности

На основе проведенного анализа сформулированы основные задачи диссерта-,

ционной работы:

1) разработать методики оценки энергетической эффективности адиабатических логических вентилей и источников питания, а также методики определения их параметров;

2) установить закономерности энергопотребления логических вентилей и источников питания;

3) исследовать схемотехнические методы совершенствования характеристик адиабатических логических вентилей;

4) разработать практические схемы адиабатических источников питания, включающие систему авторегулирования мощности подкачки;

5) исследовать характеристики адиабатических вентилей и адиабатических источников питания.

Во второй главе исследуются закономерности энергопотребления и возможности улучшения характеристик наиболее перспективных квазиадиабатических вентилей 2п-2п2р и ЕСШ, [1-5, 7-12] (рисунок За,б).

Согласно принятым представлениям зависимость энергии, рассеянной в вентиле, за одну логическую операцию, от частоты / = <у/2п имеет вид:

К + +4» (1)

я" /

где первое слагаемое соответствует потерям при перезаряде нагрузочной емкости С от нуля до напряжения ^(коэффициент зависит от формы импульсов), второе — потерям при отпирании транзисторов (Vмодуль порогового напряжения), а третье учитывает токи утечки.

Энергетические характеристики вентилей исследовались методом компьютерного моделирования с использованием программы схемотехнического

моделирования Spectre в САПР Cadence®. Результаты моделирования, представленные на рисунке 4, показали, что полученные характеристики fF(T, CL ) имеют две особенности, не согласующиеся с соотношением (1):

1). На низких частотах наблюдается аномально высокое энергопотребление. Токи утечки, измеренные в статическом состоянии, дают примерно на 2 порядка меньшие потери и не могут объяснить этого эффекта. 2). В диапазоне высоких частот функция W(f) спадает слабее, чем по закону 1 If.

Ю'2 101 1 10 10* 10" Г= 1//мкс

1 - Сд = 20 фФ; 2 - Сь = 100 фФ; 3 - О, = 200 фФ; 4 - Сь = 20 фФ, Сы= 0;

1а - За - включены фиксирующие диоды; 16 - 46 - полуэмпирическое соотношение (2).

Рисунок 4. Зависимость энергии, рассеянной в вентилях 2п-2п2р за цикл 1-1-0-0, от тактовой частоты.

Детальное изучение временных диаграмм показало, что 1-й эффект связан с протеканием короткого импульса сквозного тока через /»-канальный транзистор СЬ и «-канальный транзистор при переключении вентиля в логическое состояние = 1. Предложен способ нейтрализации этого вредного эффекта,

который состоит в фиксации минимального значения выходных напряжений на нулевом уровне с помощью транзисторов (^о с минимальной шириной канала, работающих в диодном включении (рисунок 3). Эффективность этого решения подтверждают кривые 1а, 2а и За на рисунке 4.

Вторая отмеченная особенность объясняется тем, что соотношение (1) предполагает перезаряд емкости С через некоторое постоянное сопротивление открытых ¿»-канальных транзисторов. Реально эти транзисторы работают при малых напряжениях сток-исток Уаз, поэтому сопротивление канала определяется соотношением Л = Большая часть энергии в канале транзистора рассеивается во время, когда V —> У(, и сопротивление канала велико. Практически напряжение V не успевает достигнуть порогового значения, но приближается к нему тем более, чем меньше частота тактовых импульсов / . Хорошее согласие с экспериментом достигается при замене в (1) произведения сот степенной функцией частоты: сот = {со Я^С)а = (2л/Я^С)а :

К = - К + См )[2тг/Яе/ (С, + Сы )Г + Рс„ (С, + СЫ)У,2 -3, (2) л )

где Сы — эффективное значение суммарной внутренней емкости вентиля, Я^ - эффективное сопротивление не зависящее от частоты. Зависимости IV(/", С) , соответствующие соотношению (2), показаны на рисунке 4 (линии 16 - 46). Значения параметров а, Я ^ , Сы и Р0, установленные по данным компьютерного эксперимента, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Значения параметров а, , С;п, и Р0 для вентилей 2п-2п2р и ЕСКЬ

Тип вентиля а кОм с фф Ро> пВт

2п-2п2р 0,75 3,90 170 11,4

ЕСКЬ 0,73 3,02 140 10,0

Для улучнения энергетических характеристик предложено использовать импульсы питания отрицательной полярности. В этом случае логическое дерево строится на /^-канальных транзисторах, а перезаряд емкости Сь + Сы осуществляется «-канальными транзисторами, эффективное сопротивление которых ниже.

В адиабатических вентилях транзисторы работают при малых напряжениях сток-исток, и эффекты, связанные с разогревом носителей заряда в канале, не проявляются. Это означает, что сопротивления остаются обратно пропорциональными длине канала даже при малой длине канала. Таким образом, остается в силе классический закон масштабирования, согласно которому пропорциональное уменьшение топологических размеров ведет к квадратичному повышению частоты при заданном энергопотреблении.

Улучшение характеристик квазиадиабатических вентили статического типа возможно за счет комбинации вентилей 2п-2п2р синхронного типа и вентилей 1п-1р асинхронного типа (рисунок 5). При этом существенно расширяются функциональные возможности вентиля и, повышается эффективная тактовая частота и снижается среднее число элементов в вентиле.

Рисунок 5. Комбинация квазиадиабатических вентилей 2п-2п2р и 1п-1р.

Третья глава посвящена исследованию закономерностей энергопотребления в асимптотически адиабатических базовых логических вентилях [9-13].

Анализировались энергетические характеристики асимптотически адиабатических вентилей \n-\p (рисунок 6а), в которых наличие трех логических состояний обеспечивается использованием "расщепленного" питания (рисунок 6а), а установка входной информации в свободном состоянии и сохранение входной информации в течение всего цикла — применением коллапси-рующих импульсов питания.

Помимо схемной простоты вентиль \n-\p интересен тем, что на его примере можно проследить возрастание энергетических потерь при нарушении каждого из условий термодинамической обратимости.

Скорость производства информации может быть повышена за счет уменьшения степени перекрытия 8 = Д77!Гфаз активации - дезактивации соседних вентилей. На рисунке 7 кривыми 1-1 а,б представлены зависимости IV(Т) для случая 8 = 1, когда форма импульсов питания соответствует рисунку 6а.

+К*#/2 О

X

О -

а

+Ф

Г X

а)

б)

Фа

Цикл логической операции Тс

ДГз = АТ

НС

IX

г, = г Тц Т3—Т

в) Ф„

Г*,-Г

Рисунок 6. Адиабатическая логика с расщепленным питанием на КМДП вентилях 1п-1р: а - инвертор 1п-1р; б - цепь логических вентилей; в - временная диаграмма импульсов питания.

В рабочей области, где вклад токов утечки мал, зависимости IV(Т) хорошо подчиняются закономерности 1¥(Т)~Т~а , где а= 0,90...0,95 близок к теоретически достижимому значению а — 1. Это объясняется слабым изменением напряжения затвор-исток открытого транзистора на этапах активации и дезактивации, в результате чего сопротивление канала практически леней-но. При уменьшении параметра 5 энергетические потери возрастают вследствие повышения среднего сопротивления открытого транзистора и увеличения его нелинейности. В случае, когда величина 8 меньше критического зна-

чения д0 = 2V, / , нарушаются условия адиабатичности 2-4; дальнейшее уменьшение 8 ведет к быстрому возрастанию энергетических потерь (рис. 8).

Рисунок 7. Зависимость энергии, рассеянной в вентилях 1п-1р за цикл 1-1-0-0, от длительности этапов активации и дезактивации Т: I - - расщепленное питание, 11-1-полярное питание; 1-5=1,2-5 = 0; а-Сл= 20 фФ, б-Сл= 200 фФ.

,Щ5) /1¥(1)

1 1 ________ --------

1

1 1

1а\Ч "¡рб" 1

------1 1 1 -------- _____

---- —— 5

0 50 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Рисунок 8. Изменение энергетических потерь в вентилях 1п-1р при уменьшении степени прекрытия фаз активации - дезактивации соседних вентилей для Т— 0,1 мкс: I - -расщепленное питание, II - 1 -полярное питание; а - О, = 20 фФ, б - О, - 200 фФ;

Предельный случай полного перекрытия фаз активации и дезактивации соседних вентилей (д = 0) соответствует отказу от применения коллапси-рующих импульсов питания (рисунок 96).

Главная сложность практической реализации асимптотически адиабатической логики \n-\p состоит в создании адиабатического источника расщепленных коллапсирующих импульсов питания. Отказ от использования коллапси-рующих импульсов существенно упрощает систему питания, но при этом энергетические потери возрастают в 4,5...5,2 раз. В этом случае целесообразно отказаться и от использования расщепленных импульсов питания, т.к. дополнительное увеличение потерь не превышает 60 %.

В таблице 2 приведены сравнительные характеристики энергетических характеристик асимптотически адиабатических вентилей \n-\p и квазиадиабатических вентилей 2п-2п2р, ЕСЯЬ для тех же условий. Асимптотически адиабатическая логика \n-\p характеризуется в 13...25 раз меньшими энергетическими потерями. При максимальном упрощении системы питания (1-полярные импульсы равной длительности) энергопотребление возрастает примерно в 7 раз. Тем не менее, оно остается в 2,6...3 раза меньшим, чем в логике 2п-2п2р и вдвое меньшим, чем в ЕСЯЬ. Ллогика \n-\p не требует одновременной обработки прямых и инверсных логических сигналов. Главным ее недостатком является невозможность работы в конвейерном режиме.

Рисунок 9. Форма импульсов ф„. / и ф„ для расщепленного (а, б) и 1-полярного (б,в) питания: а,в-5=1,б, г-8 = 0.

Таблица 2. Сравнение энергетических характеристик асимптотически адиабатических вентилей \n-\p и квазиадиабатических вентилей 2п-2п2р, ЕСЯЬ

Характеристика Система питания и тип вентиля

Расщепленное питание, коллапси-рующие импульсы (5 = 1) 1-полярные импульсы равной длительности (8 = 0) 4-фазные 1-полярные импульсы равной длительности (8, = 1,83 = 0)

1/7-1^(8= 1) \n-\p (8 « 0) 2п-2п2р ЕСЛЬ

Невыполненные условия адиабатичности _ 1 -4 2-5 2-5

\VIW\-\ С 1.-20 фФ 1 7,14 24,5 15,4

Сд =200 фФ 1 6,82 17,6 13,3

а 0,90...0,95 0,67... 0,75 -0,75 -0,75

Четвертая глава посвящена разработке квазиадиабатического динамического базового вентиля на основе только п-канальных МДП транзисторов [1, 4]. Логика КАДЛ-п (рисунок 10) отличается от ближайшего аналога (вентиль АЭЬ) введением дополнительного изолирующего транзистора СЬ и системой тактовых импульсов. На рисунке 10 показана цепь инверторов КАДЛ-п (а) и

пример выполнения логического дерева для функции (б). У = (Л', + Хг)Х3, а на рисунке 11а — временная диаграмма 3-фазных тактовых импульсов, включающих импульсы питания ф/, ф2, фз и импульсы управления изолирующими транзисторами фи , фп , фи . Возможно также использование 2-фазных тактовых импульсов (рисунок 116), однако в этом случае на 25% снижается тактовая частота.

Шины управления изолирующими транзисторами фи не являются токове-дущими, и при достаточно медленном изменении тактовых напряжений перезаряд входных емкостей транзисторов осуществляется адиабатически.

транзисторах (КАДЛ-п) а), логическое дерево б).

Рисунок 11. Временные диаграммы тактовых импульсов, 3-х фазных а) и 2-х фазных б).

Главным преимуществом логики КАДЛ-п является использование только п-канальных МДП транзисторов, что существенно упрощает технологический процесс изготовления СБИС и уменьшает площадь вентиля на кристалле. Ее недостатками являются необходимость введения дополнительного изолирующего транзистора С^, повышенное количество тактовых шин при 3-фазном питании и снижение частоты тактовых импульсов (1/67о вместо 1/47о). Последний недостаток компенсируется более высоким бытродействи-ем п-канальных транзисторов. Кроме того, логика КАДЛ-п не нуждается в шине смещения подложек р-канальных транзисторов. Применение нулевой шины ("земли") также не является необходимым, поскольку нагрузочные емкости представляют собой емкости между истоками МДП транзисторов и об-

щей подложкой. Из 6 шин 3 не являются токоведущими и могут иметь минимально возможную ширину.

Работоспособность логических вентилей КАДЛ-n проверялась компьютерным моделированием, подтвердившим правильное функционирование 2-входовых логических вентилей NOR и NAND при всех комбинациях входных сигналов.

В пятой главе исследуются возможности создания и основные характеристики адиабатических источников питания со ступенчатым перезарядом нагрузочной емкости [6, 9, 13]. Энергетическая эффективность таких драйверов повышается с увеличением числа ступеней перезаряда Nst. Если Nsl < Ыф

(где АТф — число фаз питания), драйвер может быть построен без использования каких-либо реактивных элементов. Число ступеней перезаряда Nsl = пЫф , кратное числу фаз питания, может быть получено за счет введения дополнительных накопительных конденсаторов. Необходимое число накопительных конденсаторов при этом составляет Nc — Nst — Л^ = (и — .

Энергетические потери складываются из потерь в сопротивлениях ключей, осуществляющих коммутацию шин питания, и потерь при неадиабатическом перезаряде их входных емкостей. В работе исследованы способы управления ключами, и показано, что отношение минимальной суммарной входной емкости ключей к суммарной емкости нагрузки составляет

CS1 tsq(\ + Мп/МР)

CLZ * TL(fT/f-1)

ln[2(l —1/пЫф)] ,

(3)

где г50 — собственная постоянная времени «-канальных транзисторов, г£ = Я1С1 — постоянная времени нагрузки, а /т «1/6«Л^г£ — предельная частота драйвера. При этом суммарные энергетические потери определяются

соотношением

1К

1

К пмф г,(/г//-1)

1 + —-— 1п[2(1 -1 / А^ )] + 2(1-2/^) фП

2ЛГДи-1)

1п[2(1-1/лЛЛ#)]

1-21пЫф

где }¥01 — энергия, потребляемая обычным (неадиабатическим) драйвером за период.

В качестве примера методом компьютерного моделирования детально исследованы свойства 4-х фазного драйвера со ступенчатым перезарядом нагрузочных емкостей, не содержащего реактивных элементов. Разработана схема управления драйвером, определены оптимальные топологические размеры ее элементов и получены временные диаграммы управляющих сигналов и импульсов питания, подтверждающие правильность работы драйвера. Результаты моделирования, представленные в таблице 3, показывают, что применение адиабатического драйвера сокращает энергетические потери до 0,37 при предельно достижимом значении И^/Л^ = 0,25 Ж0£.

Суммарные Сопротивления ключей Входные емкости ключей Устройство управления

2,638 2,075 0,312 0,563 7,200

Шестая глава посвящена исследованию драйверов шин питания резонансного типа [6, 9, 13], обеспечивающих максимальный коэффициент полезного действия. Ключевым вопросом при проектировании таких драйверов является

оптимальная организация системы подкачки мощности в резонансный ЬС контур. Подкачку энергии целесообразно производить с помощью ключа, при замыкании которого на время АТ контур потребляет энергию от источника питания. Показано, что близким к оптимальному является режим полной подкачки, при котором амплитуда колебаний в контуре под действием импульса подкачки достигает напряжения питания Е\ при этом фазовая длительность импульса подкачки соответствует .углу полной подкачки А фЕ= а>0А ТЕ .

Проведенный анализ позволил установить связь между углом полной подкачки, начальной фазой подкачки ср0, сопротивлением ключа и параметрами колебательного контура (волновое сопротивлене р и добротность /)):

А <рЕ^а(Я^/рОГ565-ьо, (4)

где а и Ь — константы, зависящие от начальной фазой подкачки. С помощью уравнения (4) может быть установлена энергия рассеянная в сопротивлении ключа за период:

УГ^ « Ш• (^ /рГ.(2-т /Ар^/О2"*'«* ,

где ДЖ— потери в контуре за период; г| = 3,32; Х=1.16. Показано, что при заданных значениях / р и £) минимальный угол подкачки и также минимальные потери в ключе обеспечиваются при условии ф0 = 0.

Для реализации преимуществ драйвера резонансного типа необходимо решить ряд проблем, связанных с обеспечением настройки частоты, синхронизации фаз выходных импульсов, а также автоматической регулировки длительности импульсов подкачки. Оптимальным решением представляется использование кольцевого генератора (КГ). Структурная схема резонансного драйвера на основе КГ представлена на рисунке 12.

Рисунок 12. Структурная схема резонансного драйвера с авторегулировкой длительности импульсов подкачки

Авторегулировка длительности импульсов подкачки обеспечивается системой авторегулирования (САР), включающей три компаратора уровней напряжения С8, САи Ср, генератор пилообразного напряжения ГПН, логический блок ЛБ, а также интегрирующий усилитель ИУ (рисунок 13).

Принцип действия резонансного драйвера на основе КГ и предложенная методика его проектирования проверялись компьютерным моделированием на поведенческом уровне. Результаты моделирования подтвердили высокие характеристики драйвера. Форма импульсов питания практически не подвергается искажениям под действием импульсов подкачки. При изменении добротности контура от 15 до 3 амплитуда выходных импульсов изменяется не более, чем на 7%. Энергетические потери в сопротивлении ключей при г = 1,5 остаются достаточно малыми (около 10% от энергии подкачки), а частота колебаний практически соответствует резонансной частоте контура.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Общим результатом диссертационной работы является обобщение и развитие теории и базовых технических решений для построения адиабатических устройств производства информации, в которых радикальное снижение энергопотребления достигается за счет использования принципа термодинамической обратимости.

1. Разработана классификация адиабатических базовых логических вентилей и драйверов шин питания, позволяющая выделить наиболее перспективные технические решения и осуществить целенаправленный поиск новых способов их совершенствования. Для оценки предельной энергетической эффективности базовых логических вентилей предложен метод диаграмм.

2. Показано, что на современном технологическом уровне реализация асимптотически адиабатической логики конвейерного типа нецелесообразна. Наиболее перспективными являются квазиадиабатические базовые логические вентили 2п-2п2р (статического типа) и ЕСШ-, (динамического типа).

3. Исследованы энергетические характеристики наиболее перспективных квазиадиабатических базовых логических вентилей. Обнаружен эффект аномально высокого энергопотребления в диапазоне низких частот. Показано, что этот эффект связан с протеканием короткого импульса сквозного тока при смене логического состояния и предложен метод его нейтрализации.

4. Установлены закономерности энергопотребления базовых логических вентилей и найдены численные значения характеризующих их параметров.

5. Показано, что частотные характеристики вентилей улучшаются при выполнении логического дерева на р-канальных транзисторах и использовании импульсов питания отрицательной полярности, а энергетические потери могут быть минимизированы за счет оптимизации ширины каналов нагрузочных транзисторов. Повышение скорости и энергетической эффективности может

быть достигнуто за счет комбинации логических вентилей синхронного и асинхронного типа.

6. Установлено, что в асимптотически адиабатических вентилях 1п-1р на основе КМДП транзисторов зависимость энергопотребления от длительности этапов активации и дезактивации подчиняется закону ¡¥~ Га, где а » 1. При одинаковых условиях вентили 1п-1р характеризуются в 13...25 раз меньшим энергопотреблением по сравнению с квазиадиабатическими вентилями 2п-2п2р или ЕСЯЬ и не требуют одновременной обработки прямых и инверсных логических сигналов. Быстродействие логики 1п-1р может быть увеличено за счет частичного перекрытия фаз активации - дезактивации соседних вентилей. Предельное упрощение системы питания приводит к увеличению энергетических потерь примерно в 7 раз.

7. Предложен новый тип квазиадиабатического базового логического вентиля динамического типа (КАДЛ-п), который может быть реализован только на п-канальных МДП транзисторах и обладает повышенной помехоустойчивостью. По энергетической эффективности вентили КАДЛ-п уступают вентилям 2п-2п2р и ЕСИ-Ь. Их быстродействие может быть повышено за счет использования в качестве выпрямляющих элементов диодов Шоттки с минимальными топологическими размерами.

8.Исследованы основные характеристики драйверов шин питания со ступенчатым перезарядом нагрузочной емкости для наиболее общего варианта его построения. Получены аналитические соотношения, позволяющие определить важнейшие свойства ключей и их влияние на энергетические и топологические характеристики устройства. Установленные закономерности позволяют обоснованно выбрать основные параметры драйвера.

9. Исследованы основные характеристики драйверов шин питания резонансного типа. Обоснован выбор начальной фазы подкачки, а также сопротивления ключа в близком к оптимальному режиме полной подкачки. Показа-

но, что автоматическое равенство частоты импульсов подкачки резонансной частоте контура, синхронизация выходных импульсов для произвольного числа фаз, а также возможность автоматической регулировки длительности импульсов подкачки могут быть обеспечены путем выполнения драйвера резонансного типа по схеме кольцевого генератора. Разработана структурная схема и методика проектирования 4-фазного драйвера на основе кольцевого генератора с системой авторегулирования угла подкачки.

Полученные результаты могут быть использованы при создании устройств производства информации со сверхмалым энергопотреблением. Адиабатические драйверы шин питания могут также применяться в традиционных устройствах обработки информации для перезаряда шин большой емкости (шин тактовых импульсов, шин выборки ЗУ, шин питания ПЗС и др.).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Лосев В.В., Старосельский В.И. Новая квазиадиабатическаяч динамическая логика на п-канальных МДП транзисторах. Микроэлектроника РАН, 2002, т. 31, №3, с. 170-176.

2. Лосев В.В., Старосельский В.И. Квазиадиабатическая динамическая логика. Всероссийская н.-т. конф. "Микро- и наноэлектроника-2001". Г. Звенигород, 2001. Тез. Докл. Т.2, РЗ-7.

3. Лосев В.И., Старосельский В.И.. Исследование перспективных вариантов элементной базы адиабатических устройств производства информации. IV Международ, н/т конф. «Электроника и информатика-2002», Москва, ноябрь 2002. Тезисы докл.

4. Лосев В.В., Старосельский В.И. Реверсивное логическое устройство динамического типа на полевых транзисторах с изолированным затвором. Заявка № 2001120069 от 19.07.2001. Решение о выдаче патента от 30.01.02.

5. Константинов Д.Л., Лосев В.В. Реверсивная логика: физические ограничения и схемотехническая реализация. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика-99. Тезисы докладов. Москва 1999. с. 102.

6. Константинов Д.Л., Лосев В.В. Устройства питания реверсивных логических блоков. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика-2000. Тезисы докладов. Москва 2000. с. 59.

7. Лосев В.В. Динамическая квазиадиабатическая логика. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика-2001. Тезисы докладов. Москва 2001. с. 87.

8. Лосев В.В., Старосельский В.И. Закономерности энергопотребления в квазиадиабатических логических вентилях Микроэлектроника РАН, 2003 Т.32, № 6.

9. Лосев В.В. Моделирование энергопотребления в асимптотически адиабатических вентилях статического типаю Микроэлектроника РАН, 2003 Т.32, № 8.

Ю.Лосев В.В. Исследование процессов энергопотребления в асимптотически адиабатических вентилях статического типа Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов Микроэлектроника и информатика-2003. Тезисы докладов. Москва 2003. с.56

11. Losev V., Staroselskiy V. Regularities of power concumttion in quasiadiabatic logical gates. Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics - 2003" ICMNE-2003. Moscow-Zvenigorod, Russia. Oct. 6-10, 2003. Abstracts, P2-130.

12. Лосев В.В., Старосельский В.И. Исследование закономерностей энергопотребления в асимптотически адиабатических вентилях статического типа. Микроэлектроника. 2004. Т.ЗЗ, № 3. С. 233-239

13.Losev V., Staroselskiy V. The elementary adiabatic logic gates for digital information processing systems. Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics -2005" ICMNE-2005. Moscow-Zvenigorod, Russia. Oct. 3-7, 2005. Abstracts, 01-22.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. Тираж 0 экз. Заказ^З^?

Отпечатано в типографии ИПКМИЭТ.

124498, Москва, г.Зеленоград, проезд4806, д.5, МИЭТ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Глава 1. ОБЗОР И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ АДИАБАТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ПРОИЗВОДСТВА ИНФОРМАЦИИ.

1.1 Теоретические предпосылки.

1.2 Асимптотически бездиссипативная логика.

1.3 Квазиадиабатические логические вентили статического типа.

1.4 Квазиадиабатические логические вентили динамического типа.

1.5 Классификация адиабатических базовых логических вентилей.

1.6 Квазиадиабатические источники питания (драйверы шин питания).

1.7 Классификация адиабатических драйверов шин питания.

1.8. Выводы и постановка задачи.

Глава 2. КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКИЕ БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ

ВЕНТИЛИ.

2.1 Исходные положения.

2.2 Компьютерное моделирование перспективных вариантов квазиадиабатических вентилей.

2.3 Методы улучшения характеристик квазиадиабатических вентилей.

2.4 Выводы.

Глава 3. АСИМПТОТИЧЕСКИ АДИАБАТИЧЕСКИЕ БАЗОВЫЕ

ЛОГИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛИ.

3.1 Асимптотически адиабатическая логика с коллапсирующими и расщепленными импульсами питания.

3.2 Компьютерное моделирование базовых логических вентилей 1п-1р.

3.3 Закономерности энергопотребления и методы совершенствования характеристик логики 1п-1р.

3.4 Выводы.

Глава 4. КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКИЙ ДИНАМИЧЕСКИЙ БАЗОВЫЙ

ВЕНТИЛЬ НА ОСНОВЕ n-КАНАЛЬНЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ 76 (КАДЛ-п).

4.1 Принципы функционирования вентиля КАДЛ-п.

4.2 Энергетическая эффективность вентиля КАДЛ-п.

4.3 Компьютерное моделирование цепи КАДЛ-п вентилей.

4.4 Выводы.

Глава 5. АДИАБАТИЧЕСКИЕ ДРАЙВЕРЫ СО СТУПЕНЧАТЫМ

ПЕРЕЗАРЯДОМ НАГРУЗОЧНОЙ ЕМКОСТИ.

5.1 Способы построения.

5.2 Управление ключами.

5.3 Входные емкости ключей.

5.4 Энергетическая эффективность драйвера.

5.5 Зависимость основных характеристик драйвера от тактовой частоты и свойств ключей.

5.6 Результаты компьютерного моделирования.

5.7 Выводы.

Глава 6 АДИАБАТИЧЕСКИЙ ДРАЙВЕР НА ОСНОВЕ КОЛЬЦЕВОГО

ГЕНЕРАТОРА.

6.1 Импульсная подкачка энергии в LC-контур.

6.2 Четырехфазный адиабатический драйвер на основе кольцевого генератора.

6.3. Методика проектирования драйвера.

6.4 Функциональная идеализированная модель системы авторегулирования 121 подкачки мощности.

6.5 Поведенческое моделирование четырехфазного адиабатического драйвера.

6.6 Выводы.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность проблемы: В настоящее время особую актуальность приобретают исследования, направленные на снижение энергопотребления в цифровых устройствах обработки информации. Актуальность этого направления обусловлена тремя основными причинами: 1). Повышение степени интеграции цифровых БИС и плотности упаковки их элементов ограничивается возможностями теплоотвода, стоимость которого становится превалирующей, а возможности приближаются к теоретическому пределу. 2). В портативной электронной аппаратуре, работающей от автономных источников питания (универсальных и специализированных микропроцессорных системах, бортовых и мобильных телекоммуникационных устройствах, имплантируемых кардиостимуляторах и системах идентификации, бытовой электронной аппаратуре), существует проблема альтернативы между приемлемым сроком работы батарей или аккумуляторов, а также их весом и габаритами. 3). Охрана окружающей среды требует снижения нагрузки на системы кондиционирования и вентиляции, что, по-видимому, в ближайшем будущем приведет к установлению 15-амперного стандарта на рабочих станциях.

Одним из приоритетных направлений современной микроэлектроники является проектирование микромощных устройств производства и обработки информации (Low Power Design - LPD), охватывающее широкий круг методов снижения мощности, потребляемой интегральными схемами от источников питания. Методы LPD включают совершенствование технологии (снижение паразитных емкостей за счет уменьшения размеров и снижение питающих напряжений за счет уменьшения пороговых напряжений), оптимизацию топологических размеров, разработку энергетически эффективной архитектуры УБИС, создание новых активных элементов, а также использование новых принципов производства информации, (адиабатическая или термодинамически обратимая логика).

Последнее и наименее исследованное направление основано на возможности возврата в систему энергии, затраченной на производство информации, и ее повторного использования для последующих вычислений. Актуальность этого направления определяется чрезвычайно высокими предельными возможностями снижения энергопотребления. Практическая реализация адиабатических устройств производства информации требует создания не только соответствующей элементной базы (адиабатических базовых логических вентилей), но и адиабатических источников питания. Исследованию методов решения этих задач посвящена настоящая диссертация.

Работа выполнялась в рамках федеральных целевых научно-технических программ "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения на 1996-2000 годы" и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 20022006 годы.

Цель работы состоит в систематизации методов построения адиабатических логических вентилей и источников питания, выявлении их наиболее перспективных вариантов, исследовании закономерностей энергопотребления и совершенствовании характеристик этих устройств.

Задачи исследования: Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие конкретные задачи:

1) разработать классификацию методов построения адиабатических логических вентилей, источников питания, а также способов авторегулировки мощности подкачки и выявить наиболее перспективные варианты;

2) разработать методики оценки энергетической эффективности адиабатических логических вентилей и источников питания, а также методики определения их параметров;

3) установить закономерности энергопотребления логических вентилей и источников питания;

4) исследовать схемотехнические методы совершенствования характеристик адиабатических логических вентилей;

5) разработать практические схемы адиабатических источников питания, включающие систему авторегулирования мощности подкачки;

6) исследовать характеристики адиабатических вентилей и адиабатических источников питания методами компьютерного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведена классификация методов построения адиабатических базовых логических вентилей и источников питания, а также методов авторегулировки мощности подкачки в адиабатических драйверах шин питания, обеспечивающая возможности определения наиболее перспективных вариантов и целенаправленного поиска методов их совершенствования.

2. Установлены закономерности энергопотребления в наиболее перспективных адиабатических базовых логических вентилях и адиабатических источниках питания.

3. Обнаружен эффект аномально высокого энергопотребления в наиболее перспективных типах адиабатических вентилей 2п-2п2р и ECRL. Показано, что этот эффект связан с протеканием короткого импульса сквозного тока при смене логического состояния и предложен метод его нейтрализации.

4. Предложен способ схемотехнической организации адиабатического базового логического вентиля на основе только n-канальных МОП-транзисторов, обеспечивающий повышение плотности компоновки.

5. Предложен новый способ построения адиабатических источников питания резонансного типа на основе кольцевого генератора, обеспечивающий автоматическую синхронизацию выходных импульсов для произвольного числа фаз и автоматическую регулировку длительности импульсов подкачки.

6. Разработаны методики проектирования адиабатических источников питания, позволяющие произвести обоснованный выбор параметров цепи импульсной подкачки мощности в адиабатических источниках питания резонансного типа, а также параметров переключающих транзисторов в адиабатических источниках питания на основе ступенчатого перезаряда напряжения нагрузочной емкости.

Практическая ценность работы:

1. Результаты работы создают основу для разработки энергетически эффективной элементной базы устройств производства и обработки информации с ограниченными ресурсами мощности и габаритами в частности, для универсальных и специализированных микропроцессорных систем, бортовых и мобильных телекоммуникационных устройств, систем идентификации, имплантируемых кардиостимуляторов, бытовой электронной аппаратуры.

2. Разработанные способы организации адиабатических источников питания могут найти применение в микроэлектронных устройствах, содержащих информационные шины большой емкости (формирователях тактовых импульсов цифровых БИС и УБИС синхронного типа, формирователях импульсов выборки БИС и УБИС ЗУ, формирователях тактовых импульсов ПЗС и др.), обеспечивая существенное снижение суммарного энергопотребления.

3. Установленные закономерности энергопотребления логических вентилей и источников питания позволяют определить целесообразность и эффективность их применения на ранних стадиях проектирования устройств производства информации.

4. Предложенный в работе новый тип логического вентиля позволяет реализовать адиабатические блоки цифровых устройств производства информации способ в виде микросхем с высокой плотностью компоновки, содержащих только и-канальные МОП-транзисторы.

Внедрение результатов работы: материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники (МИЭТ).

Достоверность результатов Достоверность разработанных методов и схемотехнических решений подтверждена результатами компьютерного моделирования с использованием апробированных моделей элементов, а также результатами экспертизы материалов конференций. Получен патент РФ на изобретение № 2184418 по заявке № 2001120069 от 19.07.2001.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В классе асимптотически адиабатических базовых логических вентилей наилучшими характеристиками обладает вентиль типа lnlp, использующий коллапсирующие импульсы питания.

2. Реализация асимптотически бездиссипативной логики синхронного (конвейерного) типа на современном технологическом уровне нецелесообразна.

3. В классе квазиадиабатических базовых логических вентилей оптимальными являются статические вентили 2п-2п2р, а также динамические вентили ECRL и предложенные в работе вентили КАДЛ-п.

4. Зависимость энергии, рассеиваемой за цикл переключения в базовых логических вентилях 2п-2п2р и ECRL от тактовой частоты / и суммарной емкости вентиля и нагрузки С в рабочем частотном диапазоне имеет вид W ~ faC]+a, где О < а < 1.

5. Оптимальным способом построения адиабатических источников питания резонансного типа является использование кольцевого генератора в сочетании с системой авторегулирования длительности импульса подкачки.

Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы были докладывались и обсуждались на Всероссийской н.-т. конференции "Микроэлектроника и информатика-99", (Москва, МИЭТ, 1997 г.), 7 всероссийской межвузовской н.-т. конференции "Микроэлектроника и информатика-2000", (Москва, МИЭТ, 1997 г.), III международной н.-т. конференции "Электроника и информатика - XXI век". (Москва, МИЭТ, 2000 г.), Всероссийской н.-т. конференции "Микро- и наноэлектроника-2001" (Звенигород, 2001 г.), I Всероссийской научно-технической дистанционной конференции "Электроника" (Москва, МИЭТ, 2001 г.), IV Международной н.-т. конференции "Электроника и информатика-2002" (Москва, МИЭТ, 2000 г.), International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003" ICMNE-2003 (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2003), International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2005" ICMNE-2005 (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2005), а также на научных семинарах ФТИАН и кафедры ИЭМС МИЭТ.

Публикации: По результатам работы опубликовано 3 статьи, 6 научно-технических отчетов о НИР.

Структура и объем диссертации . Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 137 листах основного текста, содержит 61 рисунок и 11 таблиц к основному тексту, список литературы из 54 наименований. Приложений 1.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Общим результатом диссертационной работы является обобщение и развитие теории и базовых технических решений для построения адиабатических устройств производства информации, в которых радикальное снижение энергопотребления достигается за счет использования принципа термодинамической обратимости.

Объектом исследований являлись адиабатические базовые логические вентили и адиабатические источники питания (драйверы шин питания) на основе традиционных электронных приборов - МОП и биполярных транзисторов.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана классификация адиабатических базовых логических вентилей и адиабатических драйверов шин питания, позволяющая выделить наиболее перспективные технические решения и осуществить целенаправленный поиск новых способов их совершенствования. Предложен метод Fg-диаграмм, позволяющий оценить предельную энергетическую эффективность базовых логических вентилей.

2. Показано, что на современном технологическом уровне реализация асимптотически адиабатической логики конвейерного типа нецелесообразна. Наиболее перспективными являются квазиадиабатические базовые логические вентили 2п-2п2р (статического типа) и ECRL (динамического типа).

3. Методом компьютерного моделирования исследованы энергетические характеристики наиболее перспективных квазиадиабатических базовых логических вентилей. Обнаружен эффект аномально высокого энергопотребления в диапазоне низких частот. Показано, что этот эффект связан с протеканием короткого импульса сквозного тока при смене логического состояния и предложен метод его нейтрализации.

4. Установлены закономерности энергопотребления базовых логических вентилей и найдены численные значения характеризующих их параметров.

5. Показано, что частотные характеристики вентилей улучшаются при выполнении логического дерева на р-канальных транзисторах и использовании импульсов питания отрицательной полярности. Показано, что для заданных значений емкости линий связи и ширины каналов п(или р)-канальных транзисторов логического дерева существует оптимальное значение ширины каналов р(или п)-канальных нагрузочных транзисторов, при котором энергетические потери минимальны. Показано, что повышение скорости и энергетической эффективности адиабатических устройств производства информации может быть достигнуто за счет комбинации логических вентилей синхронного и асинхронного типа.

6. Установлено, что в асимптотически адиабатических вентилях 1п-1р на основе КМОП транзисторов зависимость энергопотребления от длительности этапов активации и дезактивации подчиняется закону W~Т~а, где а~\. При одинаковых условиях вентили 1п-1р характеризуются в 13.25 раз меньшим энергопотреблением по сравнению с квазиадиабатическими вентилями 2п-2п2р или ECRL и не требует одновременной обработки прямых и инверсных лирических сигналов. Скорость обработки информации в логике 1п-1р может быть увеличена за счет частичного перекрытия фаз активации - дезактивации соседних вентилей. Предельное упрощение системы питания приводит к увеличению энергетических потерь примерно в 7 раз.

7. Предложен новый тип квазиадиабатического базового логического вентиля динамического типа (КАДЛ-n), который может быть реализован только на п-канальных МОП транзисторах и обладает повышенной помехоустойчивостью. По энергетической эффективности вентиль КАДЛ-n уступает вентилям 2п-2п2р и ECRL. Быстродействие вентилей КАДЛ-n может быть повышено за счет использования в качестве выпрямляющих элементов диодов Шоттки с минимальными топологическими размерами.

8. Исследованы основные характеристики драйверов шин питания со ступенчатым перезарядом нагрузочной емкости для наиболее общего варианта его построения. Получены аналитические соотношения, позволяющие определить важнейшие свойства ключей и их влияние на энергетические и топологические характеристики устройства. Найдены закономерности, которые позволяют определить энергетические потери, связанные с неадиабатическим перезарядом входных емкостей ключей. Установленные закономерности позволяют обоснованно выбрать основные параметры драйвера.

9. Исследованы основные характеристики драйверов шин питания резонансного типа. Обоснован выбор начальной фазы подкачки, а также сопротивления ключа в режиме полной подкачки, который близок к оптимальному. Показано, что автоматическое равенство частоты импульсов подкачки резонансной частоте контура, синхронизация выходных импульсов для произвольного числа фаз, а также возможность автоматической регулировки длительности импульсов подкачки, могут быть обеспечены путем выполнения драйвера резонансного типа по схеме кольцевого генератора. Разработана структурная схема 4-фазного драйвера на основе кольцевого генератора с системой автоматического регулирования угла подкачки в зависимости от величины потерь в контуре и методика его проектирования.

Полученные результаты могут быть использованы при создании устройств производства информации со сверхмалым энергопотреблением. Снижение потребляемой энергии достигается за счет снижения тактовой частотоы, поэтому при использовании МОП транзисторов с длиной канала ~ 2 мкм диапазон тактовых частот составляет 0,1. 10 МГц.

Адиабатические драйверы шин питания могут также применяться в традиционных устройствах обработки информации для перезаряда шин большой емкости (шин тактовых импульсов, шин выборки ЗУ, шин питания ПЗС и др.)

1. Shannon С.Е. A mathematical theory of communication. Bell Syst. Techn. J., 1948, v.27, July, p.p. 379-423,; Oct., p.p. 623-656.

2. Bennett C.H. The thermodynamics of computation a review. Int. J. of Theor. Phys, 1982, v.21, № 12, p.p. 905-945.

3. Bennett C.H. Logical reversibility of computation. IBM J. of Res. & Dev., 1973, v.17, № 11, p.p. 525-532.

4. Bennett C.H. Time/space trade-offs for reversible computation. SIAM J. Comput., 1989, v. 18, № 4, p.p. 766-776.

5. Bennett C.H. Notes on the history of reversible computation. IBM J. of Res. & Dev., 1988, v.32,№ l,p.p. 16-23.

6. Feinman R.P. Tiny computers obeying quantum mechanical laws. New directions in physics: The Los Alamos 40th annivessary ed N Metropolis, D.M.Kerr and G.Rota (Boston: Academic). 1987, p.p. 7-25.

7. Landauer R. Information is physical. Physics Today, 1991, v.44, p.p. 23-29.

8. Landauer R. Dissipation and noise immunity in computation and communication. Nature, 1988, v.335, 27 Oct., p.p. 779-784.

9. Keyes, Landauer R. Minimal energy dissipation in logic. IBM J. of Res. & Dev., 1970, v.14, № 2, p.p. 152-157.

10. Schneider T.D. Sequence logos, machine/channel capacity, Maxwell's demon, and molecular computers: a review of the theory of molecular machines. Nanotechnology, 1994, №5, p.p. 1-18.

11. Zurek W.H. Algorithmic randomness, physical entropy, measurement and demon of choice. Theor. Division T-6, MS B288 Los Alamos Nat. Lab., Los Alamos, NM 87545. March 12 1998.

12. Gershenfeld N. Signal entropy and the thermodynamics of computation. IBM Syst. J.,1998, v.35, № 3&4, p.p. 557-586.

13. Maxwell J.C. Theory of heat. London: Longmans, 1904.

14. Skordos P., Zurek W.H. Maxwell's demon, rectifiers, and Second Law. Am. J. Phys, 1992, v. 60, p. 876.

15. Fredkin E, Toffoli T. Design principles for achieving high-performance submi-cron digital technologies. Proposal to DARPA. MIT lab. for Сотр. Science. 1978.

16. Fredkin E, Toffoli T. Conservative logic. Int. J. of Theor. Phys, 1982, v.21, №3/4, p.p. 219-253.

17. Mercle R.C, Drexler K.E. Helical logic. Nanotechnology, 1996, v.7, p.p. 325339.

18. Drexler K.E. Molecular engineering: an approach to the development of general capabilities for molecular manipulation Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1981, v.78, p.p. 5275-5278.

19. Валиев K.A, Старосельский В.И. Модель и свойства термодинамически обратимого логического вентиля. Микроэлектроника РАН. 2000, т.29, № 2, с.3-18.

20. Athas W.C, Svensson J, Koller J.G, Tzartzanis N, Choi E.Y. Low-power digital systems based on adiabatic-swithing principles. IEEE Trans, on VLSI Syst, Dec. 1994, v. 2, N4, p.p. 398-408.

21. Ferrary A. Adiabtic Switching. Adiabatic Logic. Wed Mar 20 12:14:22 PST1966.

22. Younis S.G., Knight T.F. Asimptotically zero energy split-level charge recovery logic. Proc. of 1994 Int. Workshop on Low Power Design, p. 177-182, April1994.

23. Старосельский В.И. Реверсивная логика. Микроэлектроника РАН. 1999, т.28, № 3, с.213-222.

24. Denker J.S. A Rewiew of Adiabatic computing. Proc. of 1994 Symp. on Low Power Electronics, San Diego, Oct. 1994.

25. Maksimovic D., Oklobdzija V.G. Clocked CMOS adiabatic logic with single-AC power-supply, experimental result. 21st European SSC Conf.,ESSCIRC'95, Lille, France, Sept. 1995.

26. Seitz C.L., Frey A.H., Mattisson S., Rabin S.D., Speck D.A., van de Snepscheut J.L.A. Hot-clock nMOS. 1985 Chapel Hill Conf. on VLSI. Rockville, MD. Computer Science Press, 1985, p.p. 1-17.

27. Himman R.T., Schlecht M.F. Recovered energy logic — a highly efficient alternative to today's logic circuits. Proc. IEEE Power Electronics Specialists Conf. Record, 1993, p.p. 17-26.

28. Himman R.T., Schlecht M.F. Recovered energy logic: a single clock AC logic. IWLPD'94 Workshop Proceedings, 1994, p.p.153-158.

29. Dickinson G, Denker J.S. Adiabatic dinamic logic. Proc. IEEE 1994 CICC, p.p. 282-285, 1994.

30. Dickinson G., Denker J.S. Adiabatic dinamic logic. IEEE J. of Solid St. Circ.,1995, v.30,№3, p.p. 311-315.

31. Moon Y., Jeong D.-K. An efficient charge recovery logic circuit. IEEE J. SSC, Apr. 1996, v.31, N 4, p.p. 514-522.

32. Tzartsanis N., Athas W.C. Energy recovery for the design of high-speed, low-power static RAMs. {nestoras,athas}@isi.edu URL: http//www.isi.edu.

33. Athas W.C., Roller J.G., Svensson L."J". An energy-efficient CMOS line driver using adiabatic swithing. Inform. Sci. Inst., CA, Tech. Rep. ACMOS-TR-2, July1993.

34. Athas W.C., Koller J.G., Svensson L."J". An energy-efficient CMOS line driver using adiabatic swithing. USC/ISI Tech. Rep. ACMOS-TR-2a, Nov3, 1993.

35. Старосельский В.И. Адиабатическая логика (обзор). Микроэлектроника РАН. 2002, т.31, № 1, с.42-65.

36. Svensson L."J"., Koller J.G. Driving a capacitative load without dissipating fCV2. 1994 IEEE Symp. on Low Power Electronics. Digest of techn. Pap.,p. 100-101,1994.

37. Svensson L."J"., Koller J.G. Adiabatic charging without inductors, (интернет: {svensson,koller}@isi.edu).

38. Tee L., Zheng L. Charge recovery and adiabatic swithing techniques in digital logic. EE241 Midterm report. Mar. 1997Л

39. Лосев B.B., Старосельский В.И. Закономерности энергопотребления в квазиадиабатических логических вентилях. Микроэлектроника. 2003. Т.32, № 6. С. 323-332.

40. Losev V.V, Staroselsky V.I. Regularities of power consumption in quasiadiabatic logical gates. Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics 2003" ICMNE-2003. Moscow-Zvenigorod, Russia. Oct. 6-10, 2003. Abstracts, P2-130.

41. Лосев B.B., Старосельский В.И. Квазиадиабатическая динамическая логика. Всероссийская н.-т. конф. "Микро- и наноэлектроника-2001". Г. Звенигород, 2001. Тез. Докл. Т.2, РЗ-7.

42. Лосев В.В., Старосельский В.И. Квазиадиабатическая динамическая логика. I Всероссийская научно-техническая дистанционная конференция "Электроника". Секц. . Тез. Докл. 2001.

43. Лосев В.В., Старосельский В.И. Исследование закономерностей энергопотребления в асимптотически адиабатических вентилях статического типа. Микроэлектроника. 2004. Т., № 2. С.

44. Лосев В.В., Старосельский В.И. Исследование перспективных вариантов элементной базы адиабатических устройств производства информации. IV Международн. н.-т. конф. "Электроника и информатика-2002". М., МИЭТ, 1921.11.2002. Тез. докл. Ч.1,с.Ю0.

45. Константинов Д.Л., Лосев В.В. Адиабатическая логика. 3-я межд. Н.-т. конф. "Электроника и информатика XXI век". Тез. Докл. М.: МИЭТ, 2000. Секц. 1, с. 4-5.

46. Лосев В.В, Старосельский В.И. Новая квазиадиабатическая динамическая логика на п-канальных МДП транзисторах, Микроэлектроника. 2002. Т.31, № 3. С. 170-176.

47. Могэб К., Фрейзер Д., Фичтнер У. и др. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с англ./Под ред. С.Зи,—М.: Мир, 1986,—453 с.

48. Исследование возможностей и методов создания термодинамически обратимых устройств обработки информации. Отчет о НИР МИЭТ. Шифр 870-ГБ-Б-53-ИЭМС. М. 1998. № ГР. 01980005571. Научный руководитель Старосельский В.И.

49. Разработка методов построения реверсивных логических СБИС. Отчет о НИР МИЭТ. Шифр 827-ГБ-П-54-ИЭМС. М. 1998. № ГР. 01970009549. Научный руководитель Старосельский В.И.

50. Принципы построения микроэлектронных термодинамически обратимых устройств обработки информации. Отчет о НИР МИЭТ. Шифр 9-ГБ-Б-53-ИЭМС. М. 1999. Научный руководитель Старосельский В.И.

51. Методы построения элементной базы термодинамически обратимых устройств производства информации. Отчет о НИР МИЭТ. Шифр Иволга. М. 2000. № ГР 01200008744. Научный руководитель Старосельский В.И.

52. Исследование новых способов энергопитания цифровых УБИС — этап 2002 г. Отчет о НИР МИЭТ. Шифр Иволга-2. М. 2002. № ГР 01200207900. Научный руководитель Старосельский В.И.