DESARROLLO Y EVALUACIÓN DE
ARQUITECTURAS LÓGICAS BASADAS EN
NANOPIPELINE
Héc o Ja ie Quin e o Ál a ez
Facul ad de Física
Uni e sidad de Se illa
Memo ia p esen ada pa a op a al g ado de doc o en el p og ama de
Ciencias y Tecnologías Físicas
Junio 2018
A Slimky
Ag adecimien os
A Ma ía José y Juan, g acias po odo el apoyo y dedicación du an e
odos es os años de o mación.

Índice Gene al
Índice de Figu as xi
Índice de Tablas x ii
1. In oducción. 1
1.1. Pue as lógicas dinámicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1. Limi aciones de las pue as dinámicas. . . . . . . . . 5
1.1.2. Lógica Dominó. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3. Ope ación de edes de pue as Dominó. . . . . . . . 11
1.2. Segmen ación de ci cui os digi ales. . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.1. Pipeline adicional con pue as Dominó. . . . . . . 15
1.2.2. Supe pipeline Dominó.................. 17
1.3. Topologías al e na i as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1.
Es ilos de diseño que ealizan cambios en la ed de
pull-up. ......................... 19
1.3.2.
Es ilos de diseño que ealizan cambios en la ed de
pull-down......................... 26
1.3.3. Es ilos de diseño que di iden la ed de pull-down. . . 29
1.4. A qui ec u as al e na i as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.1. A qui ec u as basadas en el uso de elojes e asados. 32
1.4.2.
A qui ec u as que u ilizan elojes dis in os pa a la
p eca ga y la e aluación. . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.3.
A qui ec u as que añaden la ches a las pue as diná-
micas. .......................... 38
1.5. Obje i os de la Tesis y o ganización de la memo ia. . . . . . 40
2. Topología DOE. 43
2.1. Desc ipción de la opología. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2. Expe imen o de ca ac e ización de pue as. . . . . . . . . . 48
iii Índice Gene al
2.2.1. Dimensionamien o de los ansis o es. . . . . . . . . 48
2.2.2.
Simulación pa a alidación uncional y ca ac e ización
de e asos. ....................... 50
2.2.3. Simulaciones de uido y po encia. . . . . . . . . . . . 51
2.2.4.
He amien a de ca ac e ización de pue as lógicas
dinámicas......................... 51
2.3. E aluación de opologías. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.3.1. Análisis de la opología Dominó. . . . . . . . . . . . 55
2.3.2. Análisis de la opología Condicional. . . . . . . . . . 57
2.3.3. Análisis de la opología DOE. . . . . . . . . . . . . . 62
2.3.4. Análisis compa a i o. . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4. Conclusiones. .......................... 71
3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline. 73
3.1. A qui ec u a supe pipeline. .................. 74
3.1.1. Impac o de los e asos de e aluación. . . . . . . . . 76
3.1.2. Resul ados de simulación con di e en es a qui ec u as. 78
3.1.3. Sumado Kogge S one.................. 87
3.2. Nanopipeline con pue as DOE. . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3. Di icul ades de los nanopipelines de dos ases. . . . . . . . . 92
3.4. Conclusiones. .......................... 98
4. Validación expe imen al. 101
4.1. Desc ipción gene al del ci cui o in eg ado. . . . . . . . . . . 101
4.1.1. Núcleo DIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.2. Núcleo EXT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.3. Núcleo INT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.2. Diseño............................... 112
4.2.1. Ci cui os de pue as DOE. . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2.2. Ci cui os nanopipeline.................. 116
4.2.3. Ci cui os a i mé icos. . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2.4. Ci cui os gene ado es de señales in e nas. . . . . . . 121
4.3. Resul ados ob enidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.1. En o no de medida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.3.2. Tes de los bloques gene ado es de elojes. . . . . . . 127
4.3.3. Tes de pue as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.3.4. Tes de nanopipelines. ................. 129
4.3.5. Tes de sumado es. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.4. Conclusiones. .......................... 136
Índice Gene al ix
5. Análisis de a qui ec u as nanopipeline. 137
5.1.
Nanopipeline con pue as dinámicas in e so as y no in e so as.
137
5.2. E aluación de nanopipelines con es ases de eloj. . . . . . 141
5.2.1. Análisis de ecuencias de ope ación eó icas. . . . . 141
5.2.2.
Análisis de ecuencias de ope ación medidas po si-
mulación. ........................ 150
5.2.3. Análisis de obus ez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.2.4. E aluación de pue as con di e en es uncionalidades. 155
5.3. E aluación de nanopipelines con dos ases de eloj. . . . . . 158
5.3.1. Análisis de ecuencias de ope ación eó icas. . . . . 159
5.4. Ope ación del pipeline con pue as DOE sin ansis o oo e . 165
5.4.1. E aluación de DOEUF en ci cui os a 2 ases. . . . . 166
5.5. Recapi ulación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.6. Conclusiones. .......................... 174
Conclusiones. 177
Bibliog a ía 181

Índice de Tablas
2.1.
Pa áme os de diseño u ilizados en la e aluación de opologías.
55
3.1.
Resul ados de simulación de bloques CM del sumado Kogge
S one. .............................. 89
4.1. F ecuencias nominales de los elojes in e nos de dos ases. . 123
4.2. F ecuencias nominales de los elojes in e nos de es ases. . 125
4.3. Tabla de ecuencias eales de elojes in e nos de dos ases. . 127
4.4. Tabla de ecuencias eales de elojes in e nos de es ases. 127
5.1. Dimensionamien o del expe imen o. . . . . . . . . . . . . . . 143
5.2. Re asos (ps) de pue as Dominó. . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3. Re asos (ps) de pue as DOE. . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4. F ecuencias eó icas pa a KP RE = 13 yCDIN = 27 F. . . . 152
5.5.
Re asos medidos y ecuencia es imada no malizada pa a
DOE. .............................. 157
5.6. Análisis de obus ez. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.7. Ca ac e ización de angos álidos de DTC y skew pa a 4GHz.171
5.8. skew nominal........................... 174
5.9. skew concó ne s......................... 174
Capí ulo 1
In oducción.
El abajo desc i o en es a Memo ia su ge en el con ex o de un P oyec o
del Plan Nacional en el que se abo daba el diseño de ci cui os lógicos
u ilizando diodos de e ec o únel esonan e (RTDs). Es os disposi i os
exhiben esis encia di e encial nega i a en su ca ac e ís ica I-V, sob e cuya
base es posible cons ui pue as que aúnan uncionalidad lógica y memo ia.
Es o es, además de implemen a una de e minada ope ación lógica, una
pue a de es e ipo ambién implemen a un la ch, de o ma que, du an e pa e
de su ope ación, es insensible a los cambios en sus en adas, man eniendo
en su salida el alo an e io . En i ud de es a memo ia, su ope ación
a ni el de ed es ipo pipeline sin necesidad de añadi lip- lops. Es as
pue as ope an con una señal de eloj que de e mina los dis in os “modos de
ope ación”. Además, se a a de un pipeline ul a- ino, ya que hay un único
ni el de pue as po ase de eloj, que se ha denominado nanopipeline.
La necesidad de dispone de e e encias con las que compa a las a qui-
ec u as nanopipeline que se es aban desa ollando, lle ó a plan ea se el
es udio de la implemen ación de a qui ec u as equi alen es en CMOS. En
es e sen ido, la lógica dinámica, al dispone de una señal de sinc onización,
que de ine una ase de p eca ga du an e la cual las en adas es án bloqueadas,
y una ase de e aluación du an e la cual las en adas se p opagan, p esen a
una adecuación na u al a un es ilo de ope ación pipeline. Su po encial pa a
es e ipo de segmen ación ha sido econocido desde hace mucho iempo. En
elación a la implemen ación de los pipelines ul a inos mencionados, ya en
1987, Ji-Ren, Ka lsson y S ensson p opusie on el es ilo T ue Single Phase
Ci cui s (TSPC) [1]. TSPC combina una pue a y un la ch dinámicos e
in e cala e apas en las que la uncionalidad se implemen a con ansis o es
NMOS con e apas en las que és a se implemen a con ansis o es PMOS.
2Capí ulo 1. In oducción.
Desde en onces se han seguido desa ollando y aplicando con éxi o nume-
osas a qui ec u as de pipeline usando lógica dinámica [2
–
7]. En pa icula
se sabe que dis in as compañías de mic op ocesado es han desa ollado
soluciones p opias, basadas en lógica Dominó y esquemas de eloj de múl-
iples ases solapadas, lo que pe mi e elimina los la ches, muy e icien es,
aunque no se hayan publicado [8]. Incluso se han desa ollado he amien as
de sín esis lógica y ísica pa a au oma iza su diseño [9].
El escalado ecnológico, las al as ecuencias en las que se abaja ac-
ualmen e, o las es icciones de po encia han inc emen ado los p incipales
p oblemas asociados al uso de lógica dinámica. En es e T abajo de In es-
igación se abo da el análisis de es as di icul ades y se p oponen nue as
opologías de pue as dinámicas pa a la implemen ación de nanopipelines
compe i i os en é minos de elocidad y obus ez.
Es e capí ulo se ha es uc u ado en cinco apa ados. Como pun o de
pa ida, el Apa ado 1.1 desc ibe la ope ación de las pue as lógicas di-
námicas e in oduce la lógica Dominó. En el Apa ado 1.2 se analiza el
esquema de in e conexión de pue as dinámicas adicional. Pos e io men e,
se ealiza una e isión bibliog á ica de di e en es al e na i as p opues as
pa a supe a dis in as limi aciones de la lógica Dominó y que han se ido
como pun o de pa ida a es a in es igación. Conc e amen e, en el Apa a ado
1.3 se mues an dis in os es ilos de diseño que modi ican la opología de
las pue as Dominó, mien as que en el Apa ado 1.4 se mues an dis in-
as a qui ec u as de in e conexión. Finalmen e, en el úl imo apa ado se
desc iben los obje i os de es e abajo y la o ganización de es a Memo ia.
1.1. Pue as lógicas dinámicas.
En una pue a CMOS es á ica de N en adas, se equie en N ansis o es
PMOS y N ansis o es NMOS. Es as pue as ienen la des en aja de que
cada en ada es á conec ada a dos ansis o es, uno PMOS y o o NMOS.
Pa a cada ni el lógico de la en ada, sólo uno de los dos ansis o es se
ac i a, lo que signi ica que la capacidad del o o ansis o ca ga el nodo
c í ico sin aumen a la co ien e de la pue a. Además, los ansis o es
PMOS suelen se de mayo amaño y, po an o, ag egan más capacidad.
Uno de los es ilos de diseño p opues os pa a e i a es a des en aja
se conoce como lógica pseudo-NMOS. Es a écnica eemplaza la ed de
ansis o es PMOS po un único ansis o PMOS conec ado a ie a. Des-
a o unadamen e, el ansis o PMOS compi e con los NMOS du an e las
ansiciones descenden es de la salida, educiendo la elocidad de su desca -
1.1. Pue as lógicas dinámicas. 3
PDNIN
VDD
CL
OUT
CLK TPR
TFT
(a) Topología PDN.
PUNIN
VDD
CL
OUT
CLK TFT
TPR
(b) Topología PUN.
Figu a 1.1: Pue as lógicas dinámicas.
ga. Además, debe se más débil que los NMOS, pa a ene ni eles lógicos
asociados al “0” lógico adecuados, po lo que el iempo de subida no es muy
bueno. Finalmen e, cuando la salida es á en bajo, hay un camino desde
VDD a ie a que consume po encia.
Un esquema al e na i o consis e en conec a el ansis o PMOS a una
señal de eloj en luga de la conexión a ie a. Es e ipo de ci cui os se
conocen como CMOS dinámicos [10]. Su uncionamien o se di ide en dos
ases llamadas “p eca ga” y “e aluación”. La ase de p eca ga se p oduce
cuando la señal de eloj es á en bajo, ac i ando el ansis o PMOS y, en
consecuencia, p eca gando el nodo de salida a
VDD
. La ase de e aluación se
da cuando el eloj es á en al o, co ando el ansis o PMOS. En es a ase,
la salida puede “e alua ” y, según sea el caso, desca ga se a a és de la ed
de ansis o es NMOS. Pa a pe mi i un uncionamien o co ec o de es e
ipo de pue as no debe habe un camino ac i o a ie a du an e la ase de
p eca ga, de modo que el ansis o PMOS pueda p eca ga comple amen e
la salida, sin el e ec o de con ención que pueden p o oca los ansis o es
NMOS. Es o se puede consegui man eniendo las en adas en un es ado bajo
du an e la ase de p eca ga. Sin emba go, cuando no es posible ga an iza
es o, se debe emplea un ansis o NMOS conec ado a la señal de eloj y
ubicado en la pa e in e io de la ed de desca ga.
Teniendo en cuen a es a úl ima conside ación, una pue a dinámica se
compone de un ansis o PMOS de p eca ga,
TP R
, y un ansis o NMOS
llamado ansis o oo e ,
TF T
, ambos con olados po una señal de eloj y
una ed de ansis o es NMOS (PDN) que, de e minan la uncionalidad de

4Capí ulo 1. In oducción.
la pue a, como se mues a en la Figu a 1.1(a).
La uncionalidad de la pue a ambién puede implemen a se con ansis-
o es PMOS (pue as PUN), o mando una ed de pull-up o PUN (Figu a
1.1(b)). En es e caso, el papel de los ansis o es P y N con olados po la
señal de eloj se in ie e. Las pue as con una ed de desca ga con ansis-
o es NMOS (pue as PDN) son más ápidas, ya que la mo ilidad de los
elec ones es mayo que la de los huecos.
Po simplicidad, en es e apa ado sólo se analiza el uncionamien o de
una pue a con ed PDN. En ase de p eca ga (
CLK
= 0), el nodo de salida
OUT
se p eca ga a
VDD
, a a és del ansis o de p eca ga
TP R
, mien as
que el ansis o oo e
TF T
pe manece co ado. En ase de e aluación
(
CLK
= 1), el ansis o
TP R
se co a y el ansis o oo e conduce.
Dependiendo de la combinación de en adas (
IN
), y de la uncionalidad
implemen ada po la ed PDN, exis i á o no un camino de desca ga en e el
nodo de salida y ie a. En caso de que no exis a, el nodo no se desca ga y la
salida pe manece á en un ni el de ensión de acue do a la ca ga almacenada
en
CL
. En caso con a io, el nodo se desca ga y la salida de la pue a oma
un ni el bajo. Consecuen emen e, una ez desca gado el nodo de salida, no
pod á ca ga se de nue o has a que enga luga una nue a ase de p eca ga.
En esumen, las p incipales ca ac e ís icas de es e es ilo de diseño son:
U iliza un meno núme o de ansis o es que la lógica es á ica. Mien-
as la lógica dinámica equie e
N
+ 2 ansis o es, la lógica es á ica
emplea 2
N
, donde
N
es el núme o de en adas de la pue a. Es o
se aduce en una meno ocupación de á ea y, además, la capacidad
equi alen e de ca ga es meno espec o a o os es ilos lógicos.
La unción lógica de la pue a puede implemen a se con ansis o es
PMOS o NMOS. Sin emba go, una ed de desca ga PDN, con o mada
po ansis o es NMOS exclusi amen e, es más ápida que una ed
PUN de ansis o es PMOS.
No p esen a consumo es á ico, sal o las co ien es de uga. Sin emba go,
hay consumo de po encia asociado a la necesidad de p eca ga el nodo
de salida en cada ciclo de eloj y a la ed de dis ibución del eloj.
La elocidad de conmu ación, asociada a la educción de capacidades
de ca ga y a que la e aluación se ealiza exclusi amen e con ansis o es
NMOS, es una de las en ajas p incipales de la lógica dinámica. No obs an e,
es e es ilo lógico de diseño p esen a algunas limi aciones que se desc iben a
con inuación.
1.1. Pue as lógicas dinámicas. 5
1.1.1. Limi aciones de las pue as dinámicas.
Exis en di e en es aspec os que se deben ene en cuen a pa a ob ene
un uncionamien o co ec o de los ci cui os dinámicos [10]:
Co ien es de uga.
Idealmen e, cuando una pue a dinámica se encuen-
a en ase de e aluación y las en adas de la ed PDN no ac i an un camino
de desca ga, la salida de la pue a se man iene al ni el de ensión almace-
nado en la capacidad de ca ga
CL
. Sin emba go, en la p ác ica, la ca ga
almacenada iende a des anece se con el iempo, ocasionando p oblemas de
ope ación. Es a uga de ca ga iene su o igen en que la capacidad o mada
en e el nodo de salida y ie a es á compues a, en pa e, po la capacidad
de di usión de d enado de los ansis o es NMOS de la ed PDN, lo que
supone un diodo en in e sa po el que ci cula á una pequeña co ien e.
Además, cuando se iene una combinación de en adas que no p o oca la
desca ga po la ed PDN, ine i ablemen e se da una co ien e de uga que
luye de d enado a uen e.
Si bien es o no es un incon enien e en ecuencias de ope ación pa a
las cuales la e aluación inaliza á mucho an es de que ocu a una uga
conside able, sí ep esen a un p oblema pa a los diseños en baja ecuencia
o pa a sis emas que ejecu en in e upciones en sus p ocesos. Además, es e
p oblema se ac ecien a po ejemplo, en pue as NOR con un ele ado núme o
de en adas, debido a la can idad de caminos de desca ga en pa alelo.
Es as pue as, po o a pa e, se u ilizan ex ensi amen e en algunas de las
aplicaciones ípicas de lógica dinámica [11].
Repa o de ca ga.
Nue amen e, du an e la ase de e aluación, cuando
la combinación de en adas de la pue a impide la desca ga del nodo de
salida, és e man iene su alo de p eca ga. Pe o si du an e es a ase, una de
las en adas aplicadas a un ansis o cuyo d enado se conec a a la salida
conmu a a ni el al o, la ca ga almacenada en la salida se edis ibui ía en e
la capacidad de ca ga y las capacidades pa ási as de la ed PDN, dando
luga a una caída en la ensión de salida que no puede ecupe a se has a la
siguien e ase de p eca ga.
Exis en dis in as o mas de con a es a es e e ec o. Una consis e en
p eca ga ambién los nodos in e nos de la ed PDN pa a que no pe u ben
la salida. Es o se puede hace conec ando pequeños ansis o es de p eca ga.
Sin emba go, implica un sob ecos o en é minos de á ea. Además, cada
ansis o de p eca ga ag ega una capacidad de di usión adicional que
6Capí ulo 1. In oducción.
alen iza le emen e la pue a, po lo que es mejo p eca ga el meno
núme o de nodos in e nos necesa ios pa a sa is ace los má genes de uido.
Acoplo capaci i o.
La al a impedancia del nodo de salida iene como
consecuencia una al a sensibilidad al uido. Una pis a en u ada sob e un
nodo dinámico, puede acopla se capaci i amen e y p o oca un allo de
uncionalidad cuando es e nodo se encuen e en es ado lo an e. De igual
mane a, las en adas de una pue a dinámica expe imen an es a sensibilidad,
ya que el ma gen de uido equi ale a la ensión umb al del ansis o y un
poco de acoplamien o es su icien e pa a ac i a la pue a dinámica y c ea
un camino de desca ga indeseado.
Exis en dis in as écnicas pa a e i a es e enómeno; una de ellas es hace
que las líneas adyacen es sólo cambien mien as que la pue a dinámica
se encuen e en ase de p eca ga. O a écnica consis e ealiza diseños
con pis as de conexión de co a longi ud, de mane a que la elación en e
la capacidad de acoplamien o y la capacidad de ca ga sea pequeña y se
eduzcan los p oblemas de uido.
Acoplamien o de eloj.
El acoplamien o de eloj es el e ec o causado
po el acoplo capaci i o en e la señal de eloj del ansis o de p eca ga
y el nodo de salida de la pue a dinámica. En es e escena io la ensión en
el nodo de salida puede subi po encima de la ensión de alimen ación
en una ansición de bajo a al o del eloj cuando en la ed de desca ga
no exis e un camino ac i o. Es o puede hace que los diodos pa ási os
pasen de es a co ados a es a en conducción, p o ocando una inyección de
elec ones en el sus a o que e en ualmen e pod ía p o oca una ope ación
inco ec a. El diseño de ci cui os dinámicos de al a elocidad equie e una
ase de simulación muy cuidada pa a ga an iza , en e o as cosas, que los
e ec os de acoplamien o del eloj se man engan den o de los unos lími es
azonables.
In e conexión de pue as dinámicas.
O o p oblema que p esen a
es e es ilo de diseño se da cuando se conec an pue as dinámicas en cascada,
como se mues a en la Figu a 1.2. En es e caso, las salidas
OUT1
y
OUT2
se ponen a ni el al o du an e la ase de p eca ga. Cuando se p oduce una
ansición de 0a1en la en ada
IN
du an e la ase de e aluación, la salida
OUT1
de la p ime a pue a comenza á a desca ga se. Mien as sucede es a
desca ga, el ansis o de en ada de la segunda pue a con inúa conduciendo
y no se co a has a que el ni el de ensión en
OUT1
es é po debajo de
1.1. Pue as lógicas dinámicas. 7
IN
VDD
OUT1
CLK TPR
TFT
VDD
OUT2
CLK TPR
TFT
CLK
Figu a 1.2: Conexión en cascada de pue as dinámicas.
su ensión umb al. Po an o, la salida de la segunda pue a se desca ga
de o ma e ónea du an e un in e alo de iempo. Ya que la pé dida de la
ca ga es i e e sible, la salida de la segunda pe manece á en un es ado bajo
has a la siguien e ase de p eca ga y, en consecuencia, el ci cui o p oduci á
un esul ado inco ec o.
Es e p oblema su ge po que la segunda pue a e una ansición de al o a
bajo en una de sus en adas du an e la ase de e aluación. Pa a e i a lo, las
pue as dinámicas deben ecibi únicamen e ansiciones de bajo a al o en la
ase de e aluación. Es deci , los da os de en ada deben se “monó onamen e
ascenden es”, lo que signi ica que la única ansición pe mi ida es de un
es ado bajo a uno al o. Una mane a de log a es a condición es inse a una
pue a es á ica in e so a as cada pue a dinámica, como hace la lógica
Dominó que se desc ibe en el siguien e apa ado.
1.1.2. Lógica Dominó.
Una pue a dinámica Dominó [12,13], como la que se mues a en la
Figu a 1.3, se cons uye a pa i de una pue a dinámica, idén ica en
es uc u a y uncionamien o a la opología desc i a an e io men e, y un
in e so es á ico conec ado a su salida. Du an e la ase de p eca ga, el nodo
dinámico se p eca ga a
VDD
y la salida del in e so se desca ga a un alo
bajo.
14 Capí ulo 1. In oducción.
la ch
Bloque
Es á ico
Bloque
Es á ico
Bloque
Es á ico
Bloque
Es á ico
Bloque
Es á ico
Bloque
Es á ico
la ch
ΔDQ ΔDQ
T
CLK
CLK
CLK CLK
Figu a 1.9: E apa de un pipeline con la ches como elemen os de memo ia.
la lógica combinacional, iene dado po :
∆logica =T−∆CQ −∆DC (1.1)
Desa o unadamen e, en un sis ema eal, las señales de eloj p esen an
di e en es no idealidades (que denominamos conjun amen e skew), p o o-
cando que aquéllas lleguen a los dis in os elemen os del ci cui o en di e en es
ins an es de iempo. Es o hace que se eduzca el iempo ú il de e aluación
en cada ciclo de eloj. Po an o, el iempo de cómpu o pa a la lógica
combinacional queda exp esado de la siguien e mane a:
∆logica =T−∆CQ −∆DC − skew (1.2)
O o de los p oblemas que a ec a a es a a qui ec u a es que, en gene-
al, en los pipeline eales, lo e asos de cada e apa son di e en es (lógica
desbalanceada). Es o se aduce en una deg adación de la la encia. En
esumen, los pipeline cons uidos a pa i de lip- lops ienen un sob ecos e
en é minos de á ea, po encia y de iempo, debido a los lip- lops, al iempo
de skew y al iempo que se “despe dicia” po la lógica desbalanceada.
Las penalizaciones de iempo que exhiben los sis emas cons uidos a
pa i de lip- lops pueden educi se u ilizando la ches [22]. En la Figu a
1.9 se mues a un segmen o de un pipeline de lógica es á ica que emplea
la ches con olados po señales de eloj complemen a ias. En es e ejemplo

1.2. Segmen ación de ci cui os digi ales. 15
se mues an da os que llegan a cada la ch en la mi ad del medio ciclo de
eloj. Po lo an o, el la ch es anspa en e a la llegada de su en ada, ya
que la señal de eloj se encuen a en al o y se p opaga con e aso (∆DQ).
Po an o, el iempo de cómpu o pa a la lógica combinacional iene
dado po :
∆logica =T−2∆DQ (1.3)
Además, los pipeline cons uidos con la ches anspa en es ole an mejo
el skew impues o po la señal de eloj y la lógica desbalanceada. Es o úl imo
se debe a un enómeno llamado p és amo de iempo (de aho a en adelan e
ime bo owing). Como se mues a en la Figu a 1.9, los da os pueden llega
a los la ches más a de o más emp ano, siemp e y cuando el la ch sea
anspa en e a es os. Es o es una en aja de diseño ya que, si el pipeline
no se encuen a pe ec amen e equilib ado, una e apa que equie e más
iempo pa a e alua puede comple a la du an e el pe iodo de e aluación de
la siguien e.
Aun cuando los sis emas cons uidos a pa i de la ches anspa en es
ambién ienen penalizaciones asociadas a e asos de p opagación de los
elemen os de memo ia, eliminan las penalizaciones asociadas a can idades
azonables de skew y de lógica desbalanceada, ep esen ando una mejo a
espec o a los sis emas cons uidos con lip- lops, y po an o, se jus i ica su
empleo en sis emas de al o endimien o.
1.2.1. Pipeline adicional con pue as Dominó.
Como ya se in odujo en el apa ado 1.1.3, la lógica Dominó iene una
adecuación na u al a un es ilo de ope ación pipeline, aunque se debe ene
un especial cuidado en su diseño, ya que en el cambio de ase se pod ían
pe de da os. Pa a e i a lo, un esquema de pipeline con pue as Dominó
emplea la ches anspa en es en e e apas, como se mues a en la Figu a
1.10.
Es e pipeline es simila a los pipeline que emplean pue as es á icas
con la ches. Sin emba go, no p esen a las en ajas discu idas pa a el caso
es á ico. Es o es, los e asos p opios de los la ches y el skew de la señal de
eloj se suman a los caminos c í icos que limi an la ecuencia de ope ación.
Además, no pe mi en el ime bo owing en e ases.
El esquema de la Figu a 1.10 emplea la ches que man ienen el esul ado
du an e medio ciclo mien as las pue as de su ase p eca gan, y en el
siguien e medio ciclo, pue as y la ch e alúan. El da o debe llega al la ch
16 Capí ulo 1. In oducción.
Bloque
Es á ico
Bloque
Dinámico
Bloque
Dinámico
la ch
CLK
T
Bloque
Es á ico
Bloque
Dinámico
Bloque
Dinámico
la ch
CLK
CLK
CLK
CLK
CLK
CLK
CLK
Figu a 1.10: Tempo ización de pipelines Dominó con la ches.
del p ime medio ciclo con un iempo su icien e an es de que la señal de
eloj conmu e a es ado bajo. De es a mane a, el da o se p opaga a a és
del la ch. El sob ecos e en iempo de cada la ch es el máximo de su iempo
de es ablecimien o y del e aso de p opagación de su en ada a su salida [8].
Asumiendo que el e aso de p opagación es más la go, el iempo disponible
de cómpu o pa a la lógica combinacional en cada ciclo es:
∆logica =T−2∆DQ (1.4)
Sin emba go, en condiciones eales y en el peo de los casos, una g an
can idad de skew en la señal de eloj puéden llega a p o oca allos uncio-
nales en el pipeline. La p ime a pue a dinámica del medio ciclo y el la ch
pueden ecibi elojes des asados. En es as condiciones, la pue a dinámica
pod ía ecibi el eloj más e asado, mien as que la en ada al la ch debe
cumpli con los iempos de es ablecimien o del eloj más adelan ado. Po
lo an o, el skew se iene que sus ae de cada medio ciclo. Po lo que el
iempo de cómpu o disponible pa a la lógica iene dado po :
∆logica =TC−2∆DC −2 skew (1.5)
Al igual que ocu e con los pipeline que u ilizan lip- lops como elemen os
de memo ia, a un pipeline adicional de pue as Dominó le a ec a la lógica
1.2. Segmen ación de ci cui os digi ales. 17
Bloque
Es á ico
Bloque
Dinámico
Bloque
Dinámico
Bloque
Es á ico
T
Bloque
Dinámico
Bloque
Es á ico
Bloque
Es á ico
Bloque
Dinámico
Bloque
Dinámico
Bloque
Es á ico
Bloque
Dinámico
Bloque
Es á ico
Fase 1 - CLK1Fase 2 - CLK2
CLK2
CLK1
CLK1
CLK1
CLK1
CLK2
CLK2
CLK2
Solape
Figu a 1.11: Tempo ización de un supe pipeline Dominó.
desbalanceada. Las pue as no pueden ob ene iempo p es ado del siguien e
medio ciclo, po lo que una pa e del e aso de pue a al inal de cada
medio ciclo se puede despe dicia [8,23].
Exis en dis in as a qui ec u as que u ilizan la ches dinámicos [24,25].
En pa icula , pe enece a es a ca ego ía el es ilo NORA CMOS [26] o
TSPC [1,27]. Es e úl imo añade un la ch a cada pue a dinámica, e in e cala
edes PDN y PUN ope ando con la misma señal de eloj.
1.2.2. Supe pipeline Dominó.
Exis en una a iedad de esquemas de sinc onización de pipelines Dominó
c eados po las compañías de mic op ocesado es, capaces de ole a el skew
y de ealiza p es amos de iempo en e ases de eloj y que se han aplicado
con exi o pa a implemen a ci cui os con muy al as p es aciones [8,28].
En gene al, dichas écnicas se basan en u iliza ases de eloj solapadas.
En [8] se ealiza un análisis exhaus i o de es e ipo de solución que denomi-
namos supe pipeline. La Figu a 1.11 mues a la empo ización de dos ases
consecu i as de un supe pipeline Dominó.
La p incipal en aja de es e ipo de ci cui os es que no equie en de
la ches pa a man ene el esul ado del cálculo de la p ime a ase y así pode
u iliza lo en la segunda. En un supe pipeline, un solape en e ases de eloj
lo su icien emen e amplio, pe mi e que la p ime a pue a de la segunda ase
enga iempo pa a e alua an es de que la úl ima pue a de la p ime a ase
18 Capí ulo 1. In oducción.
comience a p eca ga , incluso en si uaciones con skew.
O a ca ac e ís ica de es e es ilo de diseño es que se pe mi e el p és amo
de iempo en e ases de eloj si el solape es su icien emen e amplio en
compa ación con el skew del eloj. De es a mane a, una pue a con olada
po
CLK1
puede comple a su e aluación incluso cuando ya ha comenzado
la ase de e aluación de CLK2.
En esumen, el u iliza ases de eloj solapadas no sólo pe mi e elimina
los la ches, sino que con a es a los e ec os que a menudo a ec an a los
ci cui os Dominó adicionales como son el skew de eloj, los e asos de los
la ches y la lógica desbalanceada. Aunque el empleo de dos ases de eloj
solapadas es muy a ac i o, es necesa io con ola la can idad de solape en e
las dos señales de eloj pa a e i a p oblemas de deslizamien o, azón po
la que usualmen e se u ilizan más de dos ases de eloj. Es a p oblemá ica
se á abo dada en p o undidad en el Capí ulo 3.
1.3. Topologías al e na i as.
En la opología Dominó es c í ica la o aleza ela i a del ansis o keepe
con espec o a la ed de pull-down. Es a elación impac a di ec amen e
en la elocidad de la pue a, y ambién de e mina su suscep ibilidad a
las co ien es de ugas o al uido en las en adas. Si se hace el ansis o
keepe más ue e pa a mejo a es o úl imo, se inc emen an los e asos.
En el pasado, Dominó exhibía un comp omiso azonable en e la ole ancia
al uido y la elocidad, sin emba go, en las ecnologías p o undamen e
submic omé icas (DSM), el diseño de pue as dinámicas obus as y ápidas
se ha con e ido en una a ea di ícil [29–33].
A medida que se escala la ecnología, se educen las ensiones de alimen-
ación y con ellas las ensiones umb ales de los ansis o es. Es o se aduce
en mayo es co ien es de ugas y subumb ales. Además, se inc emen a la
a iabilidad. En es e escena io, la opología Dominó con ansis o keepe no
p esen a comp omisos en e la inmunidad al uido y la elocidad sa is ac o-
ios. Se ha llegado a cues iona , incluso, que se pueda bene icia del escalado
de la ecnología [34], ya que, man ene el mismo ni el de ole ancia al uido,
conlle a ía un inc emen o de los e asos que elimina ía las po enciales
mejo as de elocidad asociadas al escalado. Es a p oblemá ica es especial-
men e ele an e en el caso de pue as OR de un an-in ele ado, debido a
los nume osos caminos de desca ga del nodo dinámico, complicando su uso
en aplicaciones de ci cui o que an e io men e se implemen aban de o ma
e icien e con lógica dinámica, como los decodi icado es de di ecciones de los
1.3. Topologías al e na i as. 19
egis e iles [11].
El desa ollo de opologías que esuel an es os p oblemas es un á ea de
in es igación muy ac i a y se han p opues o nume osas soluciones [35
–
58].
Se pueden clasi ica en es ca ego ías. En la p ime a de ellas, las di e en es
p opues as ealizan cambios en la ed de pull-up con ci cui os que modi ican
el uncionamien o del ansis o keepe . En la segunda ca ego ía, los diseños
se cen an en ealiza cambios en la ed de pull-down, con ci cui os que
modi ican el uncionamien o del ansis o oo e y/o la ed de ansis o es
de en ada. Finalmen e, una e ce a ca ego ía comp ende soluciones que
di iden la ed de pull-down.
En es e apa ado se desc iben las écnicas más ep esen a i as de cada
ca ego ía. Algunas de las opologías desc i as modi ican an o la ed de
pull-up como la de pull-down.
1.3.1. Es ilos de diseño que ealizan cambios en la ed de
pull-up.
Lógica Dominó de al a elocidad (HS-Domino).
La lógica Dominó
de al a elocidad (High Speed Domino) [43] iene como obje i o alcanza un
mejo comp omiso en e elocidad y má genes de uido que en una écnica
con encional como CD-Domino Logic [18] (se á a ada en el Apa ado 1.4
de es e capí ulo), con bajo consumo dinámico y una penalización en á ea
mínima.
En la Figu a 1.12 se mues a el esquemá ico de una pue a HS-Domino.
Du an e la ase de p eca ga, el nodo dinámico se encuen a p eca gado
a
VDD
. El ansis o
TN1
se encuen a co ado y el ansis o
TP3
ac i o,
man eniendo co ado el ansis o keepe (
TP2
) y eliminando la con ención
en e el ansis o keepe y la ed de desca ga du an e el inicio de la ase de
e aluación.
Cuando el eloj e asado oma un alo al o se plan ean dos escena ios
posibles. Po un lado, si el nodo dinámico se ha desca gado (y la salida
ale
VDD
), el ansis o
TN1
es á ac i o y, po an o, el ansis o keepe
co ado. En caso de que el nodo dinámico pe manezca en al o, la ensión
en la pue a del ansis o keepe (la salida del in e so o mado po
TP3
y
TN1) ale ce o, ac i ándolo pa a compensa las co ien es de uga.
HS-Domino educe en cie a medida el p oblema de con ención man e-
niendo co ado el ansis o keepe en el comienzo de la ase de e aluación.
Po an o, se ía posible aumen a el amaño del ansis o keepe a medida
que se educen las ensiones umb al en ecnologías escaladas sin que es o
implique pé didas de elocidad po con ención con la ed de desca ga du-

20 Capí ulo 1. In oducción.
PDNIN
VDD
VDD
VDD
Elemen o
de e aso
CLK TP1 TP2
TP3
TN1
INV
OUT
NOD
Figu a 1.12: Topología HS Domino.
an e la ase de e aluación. Sin emba go, hay que ene en cuen a que, el
ansis o keepe es á deshabili ado al comienzo de la ase de e aluación y
el nodo dinámico se encuen a en es ado lo an e, po lo que hay un iempo
en el que la pue a es ulne able a cualquie señal de uido en las en adas.
O o de los p oblemas econocidos en es a écnica es que las co ien es
de uga man ienen unos alo es ele ados a pesa de la compensación del
keepe , azón po la que es udios pos e io es han buscado soluciones que
emplean ansis o es de di e en es ensiones umb al (MTCMOS) [44,59]:
de baja ensión umb al en la ope ación no mal y de al a ensión umb al
du an e la ase de s andby pa a educi las co ien es de uga. Es a mejo a
ha sido implemen ada an o en los ci cui os CD-Domino Logic [46] como
en ci cui os HS-Domino [47], llamados MTCMOS CD-Domino Logic y
MHS-Domino espec i amen e.
O a écnica llamada clock delayed sleep mode domino logic (CDMS-
Domino) [48] p opone un cambio en el ci cui o de con ol del keepe de
MHS-Domino. Al igual que en los diseños an e io es, CDMS-Domino educe
la con ención al inicio de la ase de e aluación co ando el keepe pe o
empleando un meno núme o de ansis o es que MHS-Domino, educiendo
así, los sob ecos os en é minos de á ea y de disipación de po encia.
1.3. Topologías al e na i as. 21
PDNIN
VDD
OUT
CLK TPR
TFT
VDD
TPK1
NOD
VDD
NOD
NOD
CLK TPK2
Elemen o
de e aso
Figu a 1.13: Topología Dominó con keepe condicional.
Lógica Dominó con ansis o keepe condicional (CKD).
A di-
e encia de los ci cui os Dominó con encionales que emplean un único
ansis o keepe , en la lógica Dominó con keepe condicional [49], se usan
dos, como se mues a en la Figu a 1.13.
El ansis o keepe
TP K1
(keepe débil) iene un compo amien o simila
al del keepe de una pue a Dominó con encional, mien as que el ansis o
keepe
TP K2
(keepe ue e) iene un compo amien o “condicional”. En
el comienzo de la ase de e aluación, el keepe débil es el único que se
ac i a. T as un iempo ijado po un elemen o de e aso, la salida de la
pue a NAND se desca ga si no se ha desca gado el nodo dinámico y, en
consecuencia, se ac i a el keepe condicional.
Un keepe débil, ac i o du an e la ansición, da como esul ado la e-
ducción de la con ención y una ápida ansición a la salida, mien as que un
keepe ue e du an e el es o del iempo de e aluación p opo ciona obus ez
en e a las co ien es de uga y al uido. Dependiendo de los eque imien os
de obus ez de la pue a, se pueden aplica di e en es es a egias a la ho a
de dimensiona ambos keepe .
Es e concep o de pa iciona el ansis o keepe , ambién se emplea en
una écnica denominada skew- ole an high-speed domino logic [50]. Es á
inspi ada en la opología HS-Domino, esol iendo sus p oblemas de em-
po ización, sepa ando la señal de eloj e asada que con ola la siguien e
e apa lógica de la es uc u a que con ola el ansis o keepe median e la
inco po ación un elemen o de e aso adicional.
22 Capí ulo 1. In oducción.
PDN
IN
VDD
VDD
VDD
OUT
CLK
NOD
TP1
TP2
INV
TP3
TNE
Espejo de co ien e
s·I uga
I uga
Figu a 1.14: Topología Dominó con ansis o keepe de éplica de co ien e
de uga (LCR).
Lógica con ansis o keepe de éplica de co ien e de uga (LCR).
O a p opues a pa a esol e el p oblema de las co ien es de uga de la ed
de pull-down consis e en usa una co ien e de e e encia pa a compa a la
con las co ien es de uga del ci cui o. Una de las écnicas que emplea es a
idea es la llamada Leakage Cu en Replica Keepe (LCR) [51]. És a usa
un espejo de co ien e que sigue el compo amien o de cualquie p oceso
de có ne , a iaciones de ensión y empe a u a. Una pue a dinámica
LCR, como la que se mues a en la Figu a 1.14, inco po a un ansis o P
conec ado en se ie con el ansis o keepe y una es uc u a de espejo de
co ien e.
El espejo de co ien e gene a una éplica de la co ien e de uga (
I uga
)
a pa i de la co ien e sensada po el ansis o
TNE
,
s ·I uga
, donde
s
es un ac o de segu idad es ablecido po la elación de geome ías de los
ansis o es. El ansis o
TNE
se usa pa a sensa la co ien e de uga de
peo caso. És a co ien e se copia a la pue a dinámica a a és de TP1.
La penalización po pue a en é minos de á ea es igual al á ea del
ansis o
TP1
más una po ción del espejo de co ien e, que puede se
compa ido po odas las pue as que empleen es a misma opología.
Lógica con ansis o keepe con olado po compa ación de co-
ien e (CKCCD).
Uno de los es ilos de diseño que pe mi e una mayo
obus ez y educi en g an medida las co ien es de uga es CKCCD (Con-
1.3. Topologías al e na i as. 23
VDD
VDD
TP2 TPK
VDD
TP1
VDD
TP2
CLK CLK
K NOD
IRe IPDN
(a) Concep o.
PDNIN
VDD
VDD
OUT
VDD VDD
NOD
CLK
TN1 TN2
TN3
TP2
TN5 TN4
TN6
TP1 TPK TPR
CLK
Vs -by
K
(b) Esquemá ico.
Figu a 1.15: Topología Dominó con ansis o keepe con olado po compa-
ación de co ien e (CKCCD).
olled keepe by cu en -compa ison domino) [52]. El ci cui o p opues o
ealiza una compa ación en e una co ien e de e e encia y la co ien e que
ci cula po la ed de desca ga de la pue a, de o ma que la mayo desac i a
su ansis o keepe . Es a idea se ilus a concep ualmen e en la Figu a
1.15(a). El ansis o
TP1
se elimina pa a pe mi i la desca ga del nodo
K
,
ac i ando el keepe (
TP K
) en la ase de p eca ga. Es o pe mi e mejo a la
inmunidad al uido en e a o as opologías (como HS-Domino), en las que
el ansis o keepe es á co ado al p incipio de la ase de e aluación.
En la Figu a 1.15(b) se mues a el esquemá ico del ci cui o CKCCD. El
ansis o
TN1
, en con igu ación de diodo, se emplea pa a ayuda a educi
las co ien es de uga cuando la ed desca ga es á deshabili ada o el ci cui o
30 Capí ulo 1. In oducción.
PDN2
IN2
VDD
OUT
CLK TPR
NOD
KW
PDN1
IN1
K1K2
ND1ND2
Figu a 1.21: Topología Dominó con diodo pa icionado (DPD).
ND1
y
ND2
y de igual mane a, se di iden los ansis o es keepe den o
del ci cui o, con un dimensionamien o equi a i o en e las pa iciones.
Además de los keepe s de cada pa ición, se emplea un ansis o keepe
adicional
KW
pa a ob ene una mayo obus ez en el ci cui o. El dimensio-
namien o de es e keepe puede se débil ya que los keepe de las pa iciones
son los que le dan al ci cui o una mayo inmunidad al uido. Una de las
en ajas que iene el ealiza es as pa iciones es que la co ien e de con en-
ción es
N
eces más pequeña en compa ación con la de una pue a Dominó
con encional. El di idi el keepe no supone una pé dida de obus ez en el
ci cui o, ya que la ed PDN del ci cui o o iginal ambién se di ide.
Lógica Dominó di idida (Spli Domino (SD)).
La lógica Dominó
spli (SD) [58] es una solución que busca mejo a el consumo de po encia,
la obus ez y la educción de las co ien es de uga. En ci cui os Dominó
con un al o an-in, la lógica SD educe el impac o de las co ien es de uga
di idiendo la ed de desca ga en dos edes indi iduales.
En la Figu a 1.22 se mues a el esquemá ico de es a écnica que ambién
di ide al keepe en e las dos edes, de es a mane a se c ean dos nodos
dinámicos que se conec an a una pue a NAND a la salida del ci cui o.
Como esul ado de es a di isión, se educe la capacidad en el nodo dinámico
y, en consecuencia, se ob iene una e aluación más ápida de la pue a.

1.3. Topologías al e na i as. 31
PDN1
IN1
VDD
VDD
CLK
NOD
TPR1 TPK1
PDN2
IN2
VDD
VDD
CLK
NOD
TPR2 TPK2
OUT
CLK
Figu a 1.22: Topología Dominó spli .
La ope ación del ci cui o se desc ibe a con inuación: en la ase de
p eca ga, los ansis o es keepe pe manecen co ados y la salida en bajo.
En el comienzo de la ase de e aluación, los ansis o es keepe se man ienen
co ados man eniendo al mínimo la con ención. Du an e la e aluación de la
pue a pueden ocu i dos casos que analiza emos pa a una pue a ipo OR.
En p ime luga , cuando odas las en adas es án a ce o y las co ien es
de uga es án al máximo, los ansis o es keepe con olados po la pue a
NAND de es en adas se ac i an pa a e i a la desca ga indeseada de
los nodos dinámicos. Es a pue a NAND es á diseñada de al mane a que
puede ealiza una desca ga muy ápida de su salida en caso de que odas
las en adas pe manezcan en bajo y, po an o, ac i a más ápido los
ansis o es keepe . El segundo caso se p oduce cuando cualquie en ada
es á en al o. En es e escena io, el nodo dinámico desca ga más ápido debido
a que se ha educido la capacidad en es e nodo al di idi la ed PDN.
32 Capí ulo 1. In oducción.
1.4. A qui ec u as al e na i as.
De la misma o ma que se han p opues o nume osas opologías de pue as
dinámicas, ambién se han desa ollado dis in os esquemas de in e conexión
y sinc onización pa a su ope ación (a qui ec u as) con el obje i o sol en a
de e minadas limi aciones de la lógica Dominó.
Ya se ha señalado las limi aciones que, pa a el diseño lógico, supone el
hecho de que las pue as Dominó implemen an uncionalidad no in e so a,
y las implicaciones que es o ienen sob e el cos e en á ea y po encia de las
soluciones de ipo dual- ail. Se han epo ado dis in as a qui ec u as que
pe mi en in e conec a pue as dinámicas in e so as.
O a di icul ad se asocia a la educción del núme o de ni eles lógicos po
ase de pipeline, impues a po los equisi os de elocidad de aplicaciones
de al as p es aciones y en pa icula , po el pipeline a ni el de pue a. Así,
el diseño con una pue a po ase (nanopipelines) con dos ases de eloj,
a ac i a desde el pun o de is a de inc emen a el endimien o, es muy
labo ioso debido a p oblemas de deslizamien o ( ace- h ough ailu e) y en
la p ác ica algunas de las a qui ec u as de es e ipo uel en a inco po a
la ches [60].
En es e apa ado se desc iben dis in os esquemas de in e conexión
epo ados en la li e a u a. Se han clasi icado en es g upos: a qui ec u as
que u ilizan elojes e asados en e apas consecu i as, a qui ec u as que
u ilizan elojes dis in os pa a la p eca ga y pa a la e aluación de las pue as
y a qui ec u as que in eg an pue as y la ches dinámicos.
1.4.1. A qui ec u as basadas en el uso de elojes e asados.
Lógica Dominó de eloj e asado (Clock Delayed Domino CD-
Domino).
Es a a qui ec u a p opues a en [18,61] esuel e la p ime a de
las limi aciones mencionadas, pe mi iendo conec a an o pue as dinámicas
(sin el in e so de salida de la lógica Dominó) como e apas Dominó. Es o se
log a usando elojes e asados en ni eles lógico consecu i os. Cada pue a
CD-Domino se cons uye a pa i de una pue a dinámica o Dominó, y un
elemen o de e aso (en caso de se necesa io), como se mues a en la Figu a
1.23.
El p incipio de uncionamien o de es a a qui ec u a se basa en e asa el
lanco de subida de la señal de eloj pa a la siguien e e apa lógica, asegu ando
el es ablecimien o de sus en adas cuando comienza su ase de e aluación.
De es a mane a, la señal de eloj a la salida del elemen o de e aso indica
a la siguien e pue a cuándo es á disponible su da o de en ada. Po an o,
1.4. A qui ec u as al e na i as. 33
IN
VDD
CLK TPR
TFT
VDD
TPR
TFT
VDD
TPR
TFT
Elemen o
de e aso Elemen o
de e aso
OUT
Figu a 1.23: In e conexión de pue as dinámicas con eloj e asado (CD-
Domino).
es e e aso siemp e debe se mayo que el e aso de peo caso de la pue a
dinámica más un ma gen de segu idad.
Una ed con pue as CD-Domino puede implemen a se con dos esquemas
de eloj di e en es. El p ime esquema es simila al expues o en [62]. Sólo
la pue a más len a de cada ni el lógico necesi a un elemen o de e aso.
La señal de eloj a la salida de dicho elemen o es empleada po las pue as
de la siguien e e apa. Las salidas en es e esquema de eloj deben espe a
a la pue a más len a en cada e apa lógica. De es a mane a, su elocidad
iene de e minada po la pue a más len a de cada e apa lógica y no
necesa iamen e po el e aso del camino c í ico.
En el segundo esquema de eloj, la empo ización se ealiza haciendo
que cada pue a use la señal de eloj p o enien e de la pue a que gene a su
en ada más len a, en luga de emplea la misma señal de eloj pa a odas
las del mismo ni el lógico. En caso de que la salida de una pue a no sea la
en ada más len a de alguna pue a, en onces no necesi a un elemen o de
e aso. Empleando unos pocos elemen os de e aso adicionales, las salidas
del ci cui o se e alúan más ápido, ya que las pue as no ienen que espe a
la señal de eloj p o enien e del elemen o de e aso de la e apa an e io .
También se ha p opues o el uso de elojes e asados pa a educi las
co ien es y el consumo de po encia cuando se usa lógica Dominó sin
oo e [45,63].
34 Capí ulo 1. In oducción.
Lógica de p edicción de salida (Ou pu p edic ion logic OPL).
Es-
a écnica ue p opues a en [64,65] y es aplicable a una a iedad de amilias
lógicas (es á icas y dinámicas) de uncionalidad in e so a y iene como in
aumen a la elocidad conse ando los a ibu os de la opología a la que se
aplica. Se inspi a en la p opiedad in e so a de la lógica CMOS es á ica, en
la que la salida de cada pue a den o de un camino c í ico debe ealiza
ansiciones al e nan es de “0” a “1”, o de “1” a “0” en el peo de los casos.
OPL mejo a es e compo amien o de peo caso al p eca ga en al o la salida
de cada pue a an es de e alua (p edeci ). Con es o es a emos p ediciendo
co ec amen e la mi ad de las salidas de las pue as del camino c í ico.
Aplicado a la lógica dinámica se aduce en conec a di ec amen e e apas
dinámicas (sin in e so de salida), e asando pa a ello el eloj de pue as
consecu i as como CD-Domino. A di e encia de es a o a écnica, excluye
el uso de e apas Dominó pa a conse a el ca ác e in e so de las pue as
en el que se undamen an las en ajas de elocidad de OPL.
Ambas a qui ec u as de in e conexión p opues as en es e apa ado son
écnicas de ci cui os au o empo izados que dependen de una sinc onización
p ecisa en e los e asos del eloj y la lógica pa a odos los posibles có ne s
de diseño. Es o ep esen a un e o conside able en el caso de ecnologías
p o undamen e submic omé icas.
1.4.2. A qui ec u as que u ilizan elojes dis in os pa a la
p eca ga y la e aluación.
Desc ibimos bajo es e epíg a e écnicas pa a implemen a pipelines con
lógica dinámica sin elemen os de memo ia. En es e sen ido son al e na i as
al supe pipeline desc i o en el apa ado 1.2.2. A di e encia de es e úl imo,
pe mi en implemen a lógica in e so a sob e la base de u iliza ases de
eloj dis in as pa a la e aluación y pa a la p eca ga de las pue as.
Lógica sinc onizada Dominó (Clock logic domino CL-Domino).
Uno de los esquemas p opues os pa a la empo ización del pipeline consis e
en e asa la p eca ga de la ase p e ia has a el inal del pe íodo de e alua-
ción de la ase ac ual [66]. Es o se log a ampliando el du y cycle de la señal de
eloj de p eca ga. En la Figu a 1.24(a) se mues a el esquema con es ases
de eloj (que co esponde con el mínimo posible). Es a implemen ación de
CL-Domino es conocida como “P eca ga-OR / E aluación-Dominó” ya que
las señales de p eca ga son una unción lógica OR de los elojes u ilizados
en un esquema de eloj de múl iples ases.
1.4. A qui ec u as al e na i as. 35
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
CLK1+2
CLK2+3
CLK3+1
CLK1
CLK2
CLK3
CLK1CLK1CLK2CLK3CLK3CLK1
CLK1+2
CLK3+1
CLK3+1
CLK2+3
CLK1+2
CLK1+2
Relojes de
p eca ga
Relojes de
e aluación
(a) P eca ga-OR.
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
Bloque Dinámico
Bloque Es á ico
CLK1
CLK2
CLK3
CLK3•1
CLK1•2
CLK2•3
Relojes de
p eca ga
Relojes de
e aluación
CLK3•1CLK3•1CLK1•2CLK2•3CLK2•3CLK3•1
CLK1
CLK3
CLK3
CLK2
CLK1
CLK1
(b) E aluación-AND.
Figu a 1.24: A qui ec u as CL-Domino.

36 Capí ulo 1. In oducción.
Po ejemplo, las pue as de la p ime a ase del pipeline e alúan con
CLK1
y p eca gan con
CLK1
+
CLK2
, siendo
CLK2
la señal de e aluación
de la siguien e ase. Es a ope ación en e ases se implemen a a ni el de
pue a, sus i uyendo el ansis o de p eca ga po dos ansis o es en se ie.
Uno con olado po CLK1y o o po CLK2.
Un segundo esquema de eloj p esen ado ambién en [66] consis e en
inaliza la e aluación de una ase de mane a an icipada. Es o se log a
limi ando el pe íodo de e aluación has a el momen o en que el eloj de
la ase an e io baja, como se mues a en la Figu a 1.24(b). Es a segunda
implemen ación es conocida como “P eca ga-Dominó / E aluación-AND”
ya que las señales de eloj de e aluación son una unción lógica AND de los
elojes u ilizados en un esquema de eloj de múl iples ases.
Al compa a los esquemas de P eca ga-OR con E aluación-AND, es e
úl imo o ece más ole ancia al skew debido a que la ope ación de p eca ga
no se e a ec ada. Sin emba go, el iempo ú il po ciclo se educe en
compa ación con el esquema de P eca ga-OR.
En ambos casos, las pue as dinámicas p esen an es ases en su ope a-
ción p eca ga, e aluación y man enimien o o memo ia, con lo que es posible
elimina los la ches de un pipeline con encional e implemen a uncionalidad
in e so a.
Técnica de pipeline sin elemen os de memo ia.
O o es ilo de diseño
basado en hace abaja las pues as dinámicas en es modos de ope ación
es conocido como memo y less [67,68]. De mane a simila a como ocu e en
clock logic, en la ase de memo ia, los ansis o es de con ol (p eca ga y
oo e ) es án co ados y la salida man iene el es ado de la úl ima e aluación.
También, du an e esa ase de memo ia, los alo es de en ada en la ed PDN
no a ec an la salida de la pue a.
A di e encia de clock logic, la opología de la pue a no se modi ica, sino
que las ases de eloj se gene an ex e namen e.
Pa a ob ene un uncionamien o co ec o a ni el de pipeline es necesa io
que cada pue a pase con inuamen e po las es ases de ope ación en el
siguien e o den: p eca ga, e aluación y memo ia. La Figu a 1.25(a) mues a
el esquema de empo ización de una pue a que usa dos ases de eloj.
CLK1
con ola el ansis o oo e yCLK2el de p eca ga.
Un pipeline con un esquema de eloj de es ases se mues a en la
Figu a 1.25(b). Las es señales de eloj (
CLK1
,
CLK3
y
CLK5
) y sus
complemen os (CLK4,CLK6yCLK2), se mues an en la Figu a 1.25(c).
Es e es ilo de diseño pe mi e la implemen ación de pue as con uncio-
1.4. A qui ec u as al e na i as. 37
P eca ga E aluación Memo iaP eca ga E aluación Memo ia
CLK1
CLK2
(a) Esquema de empo ización pa a una pue a Memo y Less.
Pue a
Dinámica
CLK1CLK5CLK3
CLK1CLK5
CLK3
CLK2CLK4CLK6CLK2CLK4CLK6
T. Foo e
T. P eca ga
Pue a
Dinámica
T. Foo e
T. P eca ga
Pue a
Dinámica
T. Foo e
T. P eca ga
Pue a
Dinámica
T. Foo e
T. P eca ga
Pue a
Dinámica
T. Foo e
T. P eca ga
Pue a
Dinámica
T. Foo e
T. P eca ga
(b) Es uc u a de pipeline con es ases de eloj.
CLK1
CLK2
CLK3
CLK4
CLK5
CLK6
(c) Esquema de es ases de eloj.
Figu a 1.25: A qui ec u a Memo y Less.
nalidad in e so a y no in e so a. Tiene la des en aja de eque i señales de
eloj adicionales. Aunque la gene ación de es as señales de eloj es un gas o
único que no aumen a con la complejidad del ci cui o.
38 Capí ulo 1. In oducción.
PDNIN
VDD
CLK TP1
TN1
VDD
TP2
TN3 TN4
VDD
TN2
TP3
VDD
TP2
TN2
OUT
OUT
OUT
CLK
Figu a 1.26: Topología LSDL.
1.4.3. A qui ec u as que añaden la ches a las pue as diná-
micas.
Lógica dinámica de conmu ación limi ada (Limi ed swi ch dyna-
mic logic LSDL).
Es a a qui ec u a combina p opiedades de los ci cui os
es á icos y dinámicos [69–71]. LSDL iene como obje i o educi la penali-
zación de consumo adicionalmen e asociada a los ci cui os dinámicos y
ocupa menos á ea que los ci cui os dinámicos con encionales [72]. Pa a
log a su obje i o, LSDL combina una in e az Dominó con un la ch como
se mues a en la Figu a 1.26.
Uno de los p oblemas de consumo de po encia en los ci cui os Dominó
adica en que el nodo dinámico debe p eca ga se en cada ciclo de eloj,
incluso pa a una en ada cons an e a “1” lógico. Es o ambién ocu e en
LSDL, pe o mien as en Dominó, el nudo de salida de la pue a ambién
se ca ga y desca ga epe idamen e en dicha si uación, en LSDL, debido al
la ch, el nodo de salida pe manece cons an e. Pues o que el nodo de salida
es gene almen e el más capaci i o es o ep esen a una en aja signi ica i a
en é minos de po encia.
También se ha a gumen ado que al dispone de una e apa de salida con
dos ni eles lógicos, se iene mayo lexibilidad de diseño pa a maneja su
ca ga capaci i a, lo que pe mi e educi el amaño de los ansis o es de la
e apa dinámica. Es o, jun o con el uso de elojes pulsan es que p oponen,
se aduce en que es posible educi ambién el amaño de los ansis o es
de p eca ga, educiendo así ambién la po encia asociada a la conmu ación
del eloj. Además, el la ch pe mi e in e cala lógica es á ica in e so a y no
1.4. A qui ec u as al e na i as. 39
Bloque
la ch
LSDL
Bloque
es á ico
CLK1
Bloque
la ch
LSDL
Bloque
es á ico
CLK2
Bloque
la ch
LSDL
Bloque
es á ico
CLK1
Bloque
la ch
LSDL
CLK2
(a) Con lógica es á ica.
CLK OUT
IN
La ch LSDL
CLK OUT
IN
La ch LSDL
CLK OUT
IN
La ch LSDL
CLK1CLK2CLK1
IN1IN2IN3
OUT
(b) Nanopipeline con dos ases de eloj.
CLK OUT
IN
La ch LSDL
CLK OUT
IN
La ch LSDL
CLK OUT
IN
La ch LSDL
Re aso Re aso
CLK1CLK1CLK1
IN1IN2IN3
OUT1OUT2OUT
(c) Nanopipeline con una ase de eloj.
Figu a 1.27: A qui ec u as LSDL.
in e so a en e pue as LSDL, haciendo innecesa ia la lógica doble ail.
La inclusión de la ches en cada pue a LSDL iene implicaciones desde
el pun o de is a de la implemen ación de pipelines y po eso se ha incluido
en ese apa ado. En p ime luga se ha p opues o u iliza los pa a eemplaza
los la ches en pipelines de dos ases de p ocesado es de al as p es aciones
(Figu a 1.27(a)). En es os casos se usan elojes con du y cycle educido
pa a disminui la p oblemá ica asociada a las co ien es de uga du an e
la ase de e aluación y elimina el ansis o keepe que p o ege el nodo
dinámico [70].
También se han epo ado diseños muy compe i i os p ác icamen e
eliminando la lógica es á ica en e pue as LSDL. Es o es implemen ando
un pipeline con una pue a po ase de eloj (nanopipeline) como se mues a
en la Figu a 1.27(b). En algunos casos puede se necesa io añadi in e so es
en e dos e apas LSDL pa a maneja ca gas asociadas a las in e conexiones.
En el caso de que medio ciclo no uese su icien e pa a alguna de las e apas del
46 Capí ulo 2. Topología DOE.
.6
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
1.2
V (V)
0.0
1.2
V (V)
0.0
1.2
V (V)
0.0
1.2
V (V)
0.0
1.2
CLK
CLKD
IN
NOD
NAND
OUT
iempo
Figu a 2.2: Fo ma de onda pa a una pue a NOR de 16 en adas.
de p opagación. Po el con a io, si hay una combinación de en adas en
la pue a que no haga desca ga el nodo dinámico, la salida de la pue a
NAND se desca ga á y la salida se pone a “1” lógico. El e aso de e aluación
en es e caso iene de e minado po el e aso de la pue a NAND sumado
al e aso del in e so de salida y al iempo de e aso del eloj, ∆CLK .
En la Figu a 2.2 se mues an las o mas de onda ob enidas de la simu-
lación de una pue a NOR de 16 en adas. La señal
IN
se aplica a una
de las en adas de la pue a, mien as las 15 es an es se ijan a ie a. En
el p ime ciclo de eloj (
CLK
), la en ada
IN
es á en al o, mien as que
en el segundo es á en bajo. Se mues a ambién la señal de eloj e asado
(
CLKD
), el nodo dinámico (
NOD
), la salida de la pue a NAND (
NAND
)
y la salida de la pue a (OUT ).
Pa a el caso en el que la en ada
IN
es á en al o en la ase de e aluación,
el nodo dinámico se desca ga y la salida de la NAND pe manece en al o.
Po an o, la salida de la pue a no ealiza ningún ipo de ansición. En el
segundo pe íodo de eloj, odas las en adas pe manecen en bajo, lo que
p o oca la desca ga de la pue a NAND y, en consecuencia, se ca ga la
salida de la pue a como se espe a.
La elocidad de desca ga del nodo dinámico no a ec a al e aso de la
pue a, po lo que pod ía inc emen a se la o aleza del ansis o keepe
(y po an o la inmunidad al uido) sin que és e se inc emen e. E iden e-
men e, es a a i mación es álida has a cie o pun o. El e aso de DOE

2.1. Desc ipción de la opología. 47
iempo
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
CLK
IN
NOD
NAND
OUT
Figu a 2.3: Fo mas de onda pa a una pue a NOR de 16 en adas sin celda
de e aso.
depende de ∆
CLK
y es necesa io man ene una elación adecuada en e es e
alo y el iempo de desca ga del nodo dinámico pa a que la pue a ope e
co ec amen e.
El e aso de la señal de eloj es necesa io pa a con ola la e aluación de
la pue a NAND, ya que sin él, su salida puede desca ga se indebidamen e
y gene a un gli ch en la salida de la pue a DOE, como se ilus a a
con inuación. La Figu a 2.3 mues a las o mas de onda de una simulación
ealizada a una pue a DOE de 16 en adas empleando una señal de eloj
sin e aso pa a la pue a NAND. En la igu a se mues a cla amen e como
la pue a NAND comienza a desca ga se al comenza la ase de e aluación
del eloj. En caso de que la combinación de en adas p o oque una desca ga
del nodo dinámico, la salida de la NAND se ca ga nue amen e a
VDD
,
pe o su desca ga pa cial p oduce un gli ch en la salida de la pue a que,
e en ualmen e pod ía p o oca un allo uncional.
A pesa de que el mínimo ∆
CLK
iene de e minado po el e aso del
nodo dinámico, aquél puede se meno que és e. Así, asumiendo que un
dimensionamien o simila en las e apas dinámicas de ambas opologías se
aduce en una ole ancia al uido semejan e pa a una inmunidad al uido
igual, DOE es más ápido que Dominó. De o ma análoga, diseñando pa a
un e aso equi alen e, se espe a que DOE log e una mayo ole ancia al
uido. En esumen, se espe a un mejo comp omiso e aso- ole ancia al
uido con la opología p opues a.
48 Capí ulo 2. Topología DOE.
2.2. Expe imen o de ca ac e ización de pue as.
Con el obje i o de e alua la opología p opues a, se han lle ado a
cabo expe imen os de ca ac e ización po simulación de pue as DOE y
o as opologías de pue as dinámicas. En es e apa ado se desc ibe la
me odología seguida, y en el siguien e se p esen an los esul ados ob enidos
pa a pue as NOR de al o an-in en ecnologías DSM, pa a las que Dominó
exhibe comp omisos elocidad- obus ez no sa is ac o ios.
2.2.1. Dimensionamien o de los ansis o es.
En los expe imen os de ca ac e ización ealizados se u iliza como pa á-
me o de diseño el ancho de los ansis o es (W), usando pa a la longi ud
(L) el mínimo pe mi ido po la ecnología, sal o que se indique lo con a io.
PDN
INA
VDD
CLK TPR
TFT
NOD
VDD
TKP
OUT
INB
In e so de
ca ga
Elemen o
de e aso
CLK
Figu a 2.4: Esquemá ico u ilizado pa a ca ac e ización.
La Figu a 2.4 mues a la e apa dinámica de una pue a DOE o una
pue a Dominó. Su dimensionamien o iene po los siguien es pa áme os:
KP RE: Fac o de escalado pa a el ansis o de p eca ga.
KF T : Fac o de escalado pa a el ansis o oo e .
KP DN : Fac o de escalado del keepe .
KIN : Fac o de escalado de los ansis o es de la ed PDN.
KL: Fac o de escalado de la longi ud pa a el ansis o keepe .
2.2. Expe imen o de ca ac e ización de pue as. 49
A pa i de es os ac o es de escalado se de e mina el ancho de odos
los ansis o es de la siguien e mane a:
T ansis o de p eca ga:
WT P R =KP RE ∗Wmin (2.1)
T ansis o oo e :
WT F T =KF T ∗KIN ∗Wmin (2.2)
T ansis o es de en ada:
WIN P UT =KIN ∗Wmin (2.3)
El ancho equi alen e de la ed de desca ga,
WP DN
, pa a el caso de una
pue a NOR, iene dado po :
1
WP DN
Lmin
=1
KF T ·KIN ·Wmin
Lmin
+1
NIN P UT ·KIN ·Wmin
Lmin
(2.4)
T ansis o keepe :
WKP
KL·Lmin
=KP DN ·WP DN
Lmin
(2.5)
Reemplazando 2.4 en 2.5 enemos:
WKP =KL·KP DN ·NINP UT ·KIN ·KF T ·Wmin
NIN P UT +KF T
(2.6)
Obsé ese que el ac o de escalado
KP DN
elaciona la o aleza del
ansis o keepe espec o a la ed de desca ga. Es posible explo a com-
p omisos elocidad obus ez a iando
KP DN
y man eniendo cons an es los
es an es pa áme os de diseño asociados a la e apa dinámica y a los ele-
men os es an es que con o man una de e minada opología. Nos e e imos
al in e so de salida en el caso de Dominó o a la e apa de salida, o mada
po una NAND y un in e so en DOE.
50 Capí ulo 2. Topología DOE.
CLK
NOD
OUT
0V
VDD
0V
VDD
VDD
0V
80%
20%
80%
B
A
(a) E aluación.
NOD
OUT
0V
VDD
VDD
0V
80%
20%
B
A
CLK
VDD
0V
20%
(b) P eca ga.
Figu a 2.5: Medidas de e aso.
2.2.2. Simulación pa a alidación uncional y ca ac e iza-
ción de e asos.
Se han ealizado di e en es simulaciones pa a alida la uncionalidad de
la pue a y medi sus e asos. En conc e o se han omado cua o medidas de
e aso, dos de ellas asociadas a la ase de e aluación y o as dos asociadas
a la ase de p eca ga.
La pue a lógica se ha some ido a es ímulos de en ada con odas las
combinaciones posibles. Pa a cada combinación de en ada, se e alúa la
uncionalidad y se miden los cua o e asos. De es a mane a se asegu a
es a midiendo el e aso máximo de e aluación y de p eca ga, ya que se
aplica la combinación de en adas de caso peo , en la que las 15 en adas
conec adas a INBes án a “0” y la en ada INAa “1”.
Medidas de e aso en ase de e aluación.
En la ase de e aluación
se mide el e aso asociado a la desca ga del nodo dinámico comenzando
en el 80% de la subida de la señal de eloj has a el 20 % de la bajada del
nodo dinámico (A), como se ilus a en la Figu a 2.5(a). También se mide el
e aso en la salida de la pue a comenzando en el 80% de la subida de la
señal de eloj has a el 80 % de la subida de la señal de salida (B).
2.2. Expe imen o de ca ac e ización de pue as. 51
Medidas de e aso en ase de p eca ga.
En la ase de p eca ga se
mide el e aso asociado a la ca ga del nodo dinámico comenzando en el
20% de la bajada de la señal de eloj has a el 80% de la subida del nodo
dinámico (A), como se ilus a en la Figu a 2.5(b). También se mide el
e aso en la desca ga de la salida comenzando en el 20% de la bajada de
la señal de eloj has a el 20 % de la bajada de la señal de salida (B).
2.2.3. Simulaciones de uido y po encia.
Se han u ilizado di e en es c i e ios pa a e alua la ole ancia al uido de
las pue as dinámicas [75
–
78]. Con p opósi os de compa ación es á ex endido
el uso del UGN (Uni y Gain Noise), que se de ine como el ni el de uido
aplicado a las en adas de la pue a dinámica que gene a un ni el igual de
uido a la salida del ci cui o [79–83],
Un ni el de uido p esen e en las en adas de la pue a po encima del
ni el UGN puede p opaga se a la siguien e e apa del ci cui o y p o oca
un allo de uncionalidad. Pa a la medida de uido hemos conside ado el
escena io más des a o able en el que se aplica la misma ensión de uido a
odas las en adas.
Pa a ealiza las medidas de consumo de po encia se han aplicado
secuencias de en ada alea o ias, ealizándose simulaciones ansi o ias de
du ación su icien e pa a que el alo de consumo con e ja.
2.2.4. He amien a de ca ac e ización de pue as lógicas di-
námicas.
Se ha desa ollado una he amien a so wa e pa a au oma iza la eali-
zación de expe imen os de ca ac e ización de pue as lógicas dinámicas en
lenguaje de p og amación M de Ma lab [84]. En es e apa ado se p esen a
una desc ipción gene al de las a eas que ealiza la he amien a.
En el p oceso de ca ac e ización de una pue a, la he amien a in e iene
en la gene ación de a chi os de simulación, el p ocesamien o y análisis de
las simulaciones ealizadas en el en o no Vi uoso-Cadence [85] empleando
el simulado Spec e [86] y la p esen ación de los esul ados ob enidos.
Sus p incipales ca ac e ís icas son:
E aluación de uncionalidad lógica. Ca ac e iza di e en es ipos de
pue as con dis in os an-in. Pa a ello, se le p opo ciona como en ada
a la he amien a la uncionalidad de la pue a que se es á analizando.

52 Capí ulo 2. Topología DOE.
Topologías de celdas. La he amien a pe mi e la ca ac e ización de
pue as cons uidas en dis in as opologías. La única es icción es
que ope e con una señal de eloj, en las dos ases ípicas de es e ipo
de lógica: p eca ga y e aluación, con un nodo dinámico y un nodo de
salida.
Nodos ecnológicos. La he amien a pe mi e la ca ac e ización de la
pue a lógica en di e en es nodos ecnológicos. En es e abajo se ha
u ilizado un nodo come cial UMC
130 nm
[87], en la alidación de la
he amien a, y es p edic i os PTM [88] de 32 nm,22 nm y16 nm.
Dimensionamien o de los ansis o es. La he amien a explo a dis in-
os dimensionamien os de pue a y pe mi e ca ac e iza pue as en
di e en es nodos ecnológicos.
El p oceso de ca ac e ización de una pue a lógica lo llama emos de aho a
en adelan e “expe imen o”. Un expe imen o implica una opología de pue a
de e minada, en una o más ecnologías y un conjun o de dimensionamien os
pa a la misma. Po lo an o, en un expe imen o se simulan muchas pue as,
cada una con dimensionamien o y en una ecnología de e minada. En la
Figu a 2.6 se p esen a el diag ama de lujo de un expe imen o. Las a eas
ealizadas po la he amien a se mues an con ondo azul.
Un expe imen o comienza con la in e acción de la he amien a con el
usua io, pa a de e mina cuáles se án los pa áme os de diseño y sus angos
de alo es que se desean explo a , así como en qué ecnologías se simula á
el expe imen o. Una ez de inidos odos los pa ame os de simulación, la
he amien a gene a de mane a au omá ica los sc ip s de simulación en
lenguaje Ocean (Open Command En i onmen o Analysis) de Cadence.
Es os son pos e io men e ejecu ados po el simulado Spec e.
Spec e gene a a chi os en o ma o plano con da os e e en es a las
señales que in e ienen en el expe imen o a ca ac e iza . Es os a chi os son
impo ados po la he amien a, que iden i ica los pa áme os ca ac e ís icos
de cada ecnología como la ensión de alimen ación y el dimensionado
mínimo pe mi ido pa a los ansis o es. Una ez impo ados los a chi os
de simulación, la he amien a i e ac ua con el usua io pa a de e mina los
c i e ios de e aluación que pe mi i án a la he amien a alida o in alida
la uncionalidad de las pue as simuladas.
Las a eas que se elacionan a con inuación se ealizan pa a cada una
de las simulaciones. Es o es, pa a cada dimensionamien o de la pue a en
cada una de las ecnologías.
2.2. Expe imen o de ca ac e ización de pue as. 53
INICIO
Gene ación de a chi os
de simulación
Simulación de e asos y
de po encia en Spec e
Ø Impo a a chi os de simulación.
Ø Iden i ica señales.
Ø Ve i ica la unción lógica de la pue a.
Ø Realiza ca ac e ización de e asos.
Ø Calcula consumo de po encia.
Ø Gene a a chi os de simulación de uido.
Simulación de uido
en Spec e
Ø Impo a a chi os de simulación.
Ø Iden i ica señales.
Ø Realiza ca ac e ización de uido.
Ø Gene a esul ados de análisis de uido.
FIN
Figu a 2.6: Diag ama de lujo de un expe imen o de ca ac e ización.
Iden i icación de señales y ca ac e ización de la señal de eloj.
E aluación de unciones lógicas.
Ca ac e ización de e asos.
Calculo de po encia.
54 Capí ulo 2. Topología DOE.
Una ez p ocesados odos los da os impo ados, la he amien a gene a un
a chi o Mic oso -Excel con in o mación del expe imen o como el esul ado
del chequeo uncional, e asos máximos en e aluación y p eca ga pa a nodo
dinámico y nodo de salida, y el consumo de po encia.
A pa i de los da os p ocesados de cada expe imen o, es posible ealiza
un análisis de uido a cada pue a. De mane a simila a como se ealiza la
gene ación de sc ip s de Ocean pa a las simulaciones de e asos, se ealiza
la gene ación de sc ip s pa a las simulaciones de uido. Es a ez el usua io
no in e iene en el p oceso, ya que los pa áme os de dimensionamien o
con los que se esc iben los sc ip s son las combinaciones de pa áme os que
supe a on la e aluación de uncionalidad en la p ime a pa e del p oceso de
ca ac e ización. Pa a cada dimensionamien o alidado uncionalmen e se
le gene a un sc ip en el que se a ía la ampli ud del pulso de uido en las
en adas.
La impo ación de los da os de simulación gene ados en Spec e se ealiza
de mane a simila a lo desc i o an e io men e, con la di e encia de que pa a
las medidas de uido se impo an an os iche os como simulaciones alidas
se hayan enido en la e aluación de uncionalidad. Una ez p ocesados odos
los da os impo ados, la he amien a gene a un nue o a chi o Mic oso -
Excel con in o mación del expe imen o ela i a a las medidas de UGN de
cada una de las pue as y la ensión del nodo dinámico y de salida pa a el
pulso de uido de ampli ud UGN.
2.3. E aluación de opologías.
U ilizando la he amien a desa ollada se han ca ac e izado y compa ado
pue as Dominó, DOE y Dominó con keepe condicional. Los esul ados que
mos amos pe siguen alida expe imen almen e que DOE exhibe comp o-
misos elocidad- obus ez muy sa is ac o ios. Po ello se ha elegido pue as
NOR (OR en el caso de las Dominó) de an-in al o (16) y se han e aluado en
ecnologías DSM. En conc e o se han e aluado usando modelos p edic i os
de ansis o es MOSFET (PTM) en es nodos ecnológicos:
32 nm
,
22 nm
y16 nm [89].
Como ya indicamos, es os comp omisos elocidad- obus ez pueden ex-
plo a se a iando únicamen e
KP DN
. La Tabla 2.1 mues a los pa áme os
de diseño u ilizados. Las e apas dinámicas, el in e so de ealimen ación y
el de salida son idén icos en las es pue as.
2.3. E aluación de opologías. 55
T ansis o Pa ame o Dimensionamien o
T ansis o P eca ga WP RE 10 ∗Wmin
LP RE Lmin
T ansis o es ed PDN WP DN 5∗Wmin
LP DN Lmin
T ansis o Foo e WF oo 15 ∗Wmin
LF oo Lmin
T ansis o P INV WP INV 2∗Wmin
LP INV Lmin
T ansis o N INV WNINV Wmin
LNINV Lmin
T ansis o es P NAND WP NAND 2∗Wmin
LP NAND Lmin
T ansis o es N NAND WNNAND Wmin
LNNAND Lmin
Tabla 2.1: Pa áme os de diseño u ilizados en la e aluación de opologías.
2.3.1. Análisis de la opología Dominó.
En es e apa ado se ealiza un análisis de la opología Dominó a pa i de
las simulaciones desc i as an e io men e. En la Figu a 2.7(a) se mues an las
cu as de e aso del nodo dinámico en e a
KP DN
. No se han ep esen ado
e asos po encima de
100 ps
. Po ello, en
32 nm
se mues an esul ados
has a
KP DN
=0.6, en
22 nm
has a
KP DN
=0.7 y se llega a
KP DN
=0.8
en
16 nm
. Como e a de espe a , los esul ados ob enidos en es e p ime
análisis mues an que, pa a odos los nodos ecnológicos, el e aso aumen a
cuando lo hace el ancho del ansis o keepe . En Dominó, los e asos ienen
de e minados po la elocidad de desca ga el nodo dinámico, po lo que a
medida que el ansis o keepe se hace más ancho, aumen a la con ención
y, po an o, le cues a más desca ga se. En la Figu a 2.7(b) se mues an las
cu as de e aso del nodo de salida en e a
KP DN
. Los e asos se educen
al escala . Pa a
KP DN
=0.6, el e aso de
32 nm
(
22 nm
) es un 46 % (21 %)
mayo que el de 16 nm.
En la Figu a 2.8 se mues a el consumo de po encia en e a
KP DN
pa a
los es nodos ecnológicos. Se obse a, que al escala , se educe el consumo
de po encia, debido en g an pa e a la ensión de pola ización que usa cada
ecnología. Al aumen a el ancho del ansis o keepe , el consumo en cada
uno de los nodos aumen a lige amen e, como ambién lo hacen la co ien e
62 Capí ulo 2. Topología DOE.
0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5
UGNN
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
Re asos (ps)
PTM-16nm
PTM-22nm
PTM-32nm
Tecnologia
Figu a 2.13: Re aso en e a UGN no malizado pa a opología condicional
en PTM 32 nm,22 nm y16 nm.
2.3.3. Análisis de la opología DOE.
Se ha ealizado un expe imen o de ca ac e ización simila al ealizado
pa a la opología Dominó, explo ando un ango de alo es de
KP DN
de
0.1 a 0.8 en los es nodos ecnológicos PTM de
32 nm
,
22 nm
y
16 nm
. En
los expe imen os se han empleado ansis o es mínimos pa a los in e so es
es á icos que gene an el eloj e asado, mien as que pa a la pue a NAND
los ansis o es PMOS son mínimos y los NMOS ienen un ancho doble del
mínimo.
En la Figu a 2.14 se mues a el e aso en unción de
KP DN
. Los alo es
de e aso mos ados co esponden a alo es de
KP DN
en e 0.1 y 0.4. Pa a
alo es supe io es, apa ecen gli ches en la salida cuando debe pe manece a
ce o. El nodo dinámico desca ga demasiado len o pa a el alo de ∆
CLK
que se es á usando, pe mi iendo que la salida de la pue a NAND comience
a desca ga se. Aunque ecupe a la ca ga cuando el nodo dinámico comple a
su desca ga, en la salida de la pue a se p oduce un gli ch. Si es e es
su icien emen e al o pod ía se malin e p e ado po la e apa siguien e. El
c i e io pa a desca a un dimensionamien o ha sido muy es ic o.
En la Figu a 2.15 se mues a la elación e aso-UGN no malizado.
Nó ese que el e aso es cons an e con
KP DN
como espe ábamos, ya que
depende de ∆
CLK
y de la e apa de salida. Se obse a como a medida que se
escala, se iene una mayo elocidad en la pue a, sin emba go, la ole ancia
al uido se educe lige amen e en
16 nm
. El e aso de
32 nm
(
22 nm
) es un
29 % (14 %) mayo que el e aso de
16 nm
. Po ejemplo, pa a
KP DN
=0.4,

2.3. E aluación de opologías. 63
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
KPDN
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Re asos (ps)
PTM-16nm
PTM-22nm
PTM-32nm
Tecnologia
Figu a 2.14: Re aso en e a
KP DN
pa a opología DOE en PTM
32 nm
,
22 nm y16 nm.
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
UGNN
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
Re asos (ps)
PTM-16nm
PTM-22nm
PTM-32nm
Tecnologia
Figu a 2.15: Re aso en e a UGN no malizado pa a opología DOE en
PTM 32 nm,22 nm y16 nm.
el UGN no malizado de 32 nm es un 11 % mayo que en 16 nm.
2.3.4. Análisis compa a i o.
En es e apa ado se compa an las p es aciones de las es opologías
explo adas y el impac o que iene el escalado ecnológico. La Figu a 2.16
mues a la elación e aso-UGN no malizado en PTM de
32 nm
(Figu a
2.16(a)),
22 nm
(Figu a 2.16(b)) y
16 nm
(Figu a 2.16(c)), espec i amen e.
64 Capí ulo 2. Topología DOE.
0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44 0.46 0.48
UGNN
25
30
35
40
45
50
Re asos (ps)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(a) 32 nm.
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
UGNN
20
25
30
35
40
45
50
55
Re asos (ps)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(b) 22 nm.
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
UGNN
20
30
40
50
60
70
80
Re asos (ps)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(c) 16 nm.
Figu a 2.16: Compa ación de e asos en e a UGN no malizado en PTM.
2.3. E aluación de opologías. 65
Se obse a que la opología Dominó es la que exhibe los mayo es e asos
y que, además, c ecen muy ápido. La pendien e de la cu a es mucho
meno pa a la opología condicional y, como ya se indicó, el e aso es
cons an e pa a la opología DOE. Sin emba go, Dominó es la única opología
pa a la que enemos soluciones en odo el ango de alo es de
KP DN
explo ados. Reco demos que condicional con
KP DN
po debajo de 0.4 han
sido desca ados po eque i un ansis o keepe débil más pequeño que el
mínimo de la ecnología.
Pa a
KP DN
=0.6, el e aso de la opología Dominó es un 141 % (
32 nm
),
101% (
22 nm
) y un 72% (
16 nm
) supe io al de la opología condicional.
Pa a
KP DN
= 0.4, el de Dominó es un 77% (
32 nm
), 85% (
22 nm
) y un
95 % (
16 nm
) supe io al de DOE. Pa a es e mismo alo de
KP DN
, el de la
condicional es un 19 % (
32 nm
), 27 % (
22 nm
) y un 44 % (
16 nm
) supe io al
de DOE. Como espe ábamos, las opologías Dominó y condicional alcanzan
alo es de UGN más al os, a cos a de un mayo e aso si se compa a con
la opología DOE. Se obse a un ango amplio de ole ancia al uido en el
que DOE es muy compe i i o.
La Figu a 2.17 mues a el consumo de po encia en e a
KP DN
pa a
cada nodo ecnológico. En los es casos, como e a de espe a se, la po encia
se inc emen a con
KP DN
. Es e inc emen o es meno en las opologías con-
dicional y DOE. En el p ime caso, el ansis o keepe ac i o du an e la
e aluación es la cua a pa e del ansis o keepe de la opología Dominó.
La co ien e de con ención es mucho meno y es o explica las di e encias
en consumo de po encia. Po ejemplo, pa a
KP DN
=0.4, el ansis o
keepe débil de la opología condicional es equi alen e al ansis o keepe
de Dominó pa a
KP DN
=0.1. En el caso de DOE, no hay di e encias con
Dominó en cuan o al ansis o keepe que es á ac i o, y que po an o
con ibuye con co ien e de con ención. Las di e encias se explican po la
meno ac i idad que p esen a el nudo de salida de DOE. En Dominó y
condicional, las combinaciones de en ada que desca gan el nodo dinámico
p o ocando ambién una ansición del nodo de salida. Todas las combina-
ciones de en ada menos una ienen es e compo amien o. En DOE, es as
combinaciones ambién desca gan el nodo dinámico, pe o ni la salida de
la NAND, ni el nodo de salida p esen an ansiciones. Pa a
KP DN
=0.6,
la po encia de la opología condicional es, ap oximadamen e, un 50% de
la po encia de la opología Dominó, en los es nodos ecnológicos. Pa a
KP DN
=0.4, DOE consume un 54% (
32 nm
), un 43% (
22 nm
) y un 35%
(
16 nm
) de la po encia de la opología condicional. Pa a es e mismo alo
de
KP DN
, la po encia de DOE es un 37% (
32 nm
), un 28% (
22 nm
) y un
66 Capí ulo 2. Topología DOE.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
KPDN
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Po encia (uW)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(a) 32 nm.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
KPDN
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Po encia (uW)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(b) 22 nm.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
KPDN
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Po encia (uW)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(c) 16 nm.
Figu a 2.17: Compa ación de consumo de po encia en PTM.
2.3. E aluación de opologías. 67
23% (16 nm) de la de Dominó.
También se ha calculado el p oduc o po encia- e aso (PDP). En la
Figu a 2.18 se mues a la elación PDP-UGN no malizado de cada opología
en
32 nm
(Figu a 2.18(a)),
22 nm
(Figu a 2.18(b)) y
16 nm
(Figu a 2.18(c)),
espec i amen e. En el ango de UGN no malizado en e 0.29 y 0.44, DOE
es muy compe i i a, como ya hemos señalado. En UGN no malizado = 0.44,
DOE exhibe un PDP que es el 50% (
32 nm
), el 33% (
22 nm
) y el 25%
(
16 nm
) del PDP de condicional y el 21 % (
32 nm
), el 15 % (
22 nm
) y el 12 %
(16 nm) del PDP de Dominó.
Los esul ados p esen ados mues an la supe io idad de DOE en un
amplio ango de alo es de UGN espec o a Dominó. Además, es e ango es
posiblemen e el de mayo in e és p ác ico, eniendo en cuen a que se a a
de una pue a NOR de 16 en adas y que el expe imen o de ca ac e ización
de uido asume pulsos de uido aplicados a las 16 en adas. U iliza pue as
con mayo UGN en es e caso limi a ía excesi amen e la deg adación del
“1” lógico que es e aluada co ec amen e. No obs an e, hay un ango de
alo es de UGNN pa a los no disponemos de diseños DOE álidos, y pa a el
que esul a ía in e esan e explo a su compo amien o, ya que es en el que
Dominó expe imen a el inc emen o de e asos más signi ica i o. Reco demos
que debido a la ocu encia de gli ches, únicamen e se habían conside ado
álidos los diseños DOE con alo es de
KP DN
has a 0.4. Hemos ediseñado
la pue a pa a pode e alua keepe s po encima de ese alo . El ediseño
man iene el dimensionamien o de la e apa dinámica y modi ica los in e so es
que gene an la señal de eloj e asada y la pue a NAND. La Figu a 2.19
mues a los esul ados ob enidos. En los es nodos explo ados enemos
aho a esul ados has a
KP DN
=0.8. Pa a los alo es en e 0.5 y 0.8 los
e asos son lige amen e supe io es a los ob enidos con el dimensionamien o
inicial de los in e so es que gene an el eloj y la pue a NAND. Sin emba go
se man iene muy compe i i o espec o a Dominó y lige amen e mejo que
la opología con keepe condicional.
Finalmen e y pues o que el ansis o FinFET es uno de los mejo es can-
dida os pa a supe a las es icciones de los CMOS con encionales (CMOS
bulk) en ecnologías p o undamen e escaladas, hemos conside a ele an e
e alua y compa a las opologías Dominó y DOE usándolos. Se han u iliza-
do modelos p edic i os de ansis o es FinFET de
20 nm
y se ha ealizado
un expe imen o simila al an e io pa a explo a comp omisos elocidad-
inmunidad al uido. La Figu a 2.20 mues a los esul ados ob enidos pa a
las dos opologías. En odo el ango de alo es de UGNN explo ado, DOE
es más ápido que Dominó. Las di e encias, como ocu ía an e io men e, se

68 Capí ulo 2. Topología DOE.
hacen más impo an es cuando aumen amos la ole ancia al uido. Se obse -
a que se ha u ilizado un único dimensionado de los in e so es gene ado es
de la señal de eloj y de la pue a NAND pa a odos los keepe s es udiados,
y po ello, el e aso de DOE es cons an e. Es in e esan e menciona que el
c i e io elegido aho a pa a acep a un diseño DOE es menos es ic i o que
el que habíamos u ilizado an e io men e. Es o se jus i ica en base a nues a
expe iencia en el desa ollo de a qui ec u as nanopipeline, con capacidad
pa a ole a gli ches con ni eles de ensión más al os que los que habíamos
es ado conside ando. Achacamos a ello las mayo es di e encias de e asos
ob enidas en e las dos opologías, y no al uso de o o ipo de ansis o .
2.3. E aluación de opologías. 69
0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42 0.44
UGN (V)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
PDP ( J)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(a) 32 nm.
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4
UGN (V)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
PDP ( J)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(b) 22 nm.
0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36
UGN (V)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
PDP ( J)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(c) 16 nm.
Figu a 2.18: Compa ación de PDP en e a UGN en PTM.
70 Capí ulo 2. Topología DOE.
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
UGNN
25
30
35
40
45
50
Re asos (ps)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(a) 32 nm.
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
UGNN
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Re asos (ps)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(b) 22 nm.
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
UGNN
20
30
40
50
60
70
80
Re asos (ps)
Dominó
Condicional
DOE
Topologia
(c) 16 nm.
Figu a 2.19: Compa ación de e asos en e a UGN no malizado en PTM.
2.4. Conclusiones. 71
0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 0.42
UGNN
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Re asos (ps)
Dominó
DOE
Topologia
Figu a 2.20: Compa ación de e asos en e a UGN no malizado en FinFET.
2.4. Conclusiones.
Se ha desa ollado una opología de pue a dinámica (DOE) que p e-
sen a un mejo comp omiso en e la elocidad y la ole ancia al uido que
Dominó en ecnologías DSM. A di e encia de las p opues as p e iamen e
epo adas y que se desc ibie on en el Capí ulo 1, DOE no modi ica la e apa
dinámica sino la e apa de salida. De es a o ma, se desacopla pa cialmen e
el e aso de la pue a de la elocidad de desca ga del nudo dinámico. Es o
pe mi e inc emen a la o aleza del ansis o keepe sin an o impac o
sob e su e aso. Se mejo a po an o su inmunidad al uido sin deg ada
excesi amen e su elocidad. Además la opología DOE es in e so a lo que
iene implicaciones posi i as desde el pun o de is a del diseño lógico.
Se ha ealizado una ca ac e ización ex ensi a de pue as Dominó, Dominó
con keepe condicional y DOE con el obje i o de e alua el comp omiso
e aso-UGN, u ilizando una he amien a de au oma ización desa ollada
pa a ello. Es a he amien a oma como en ada un ne lis de la pue a y
una look up able pa a desc ibi su uncionalidad y gene a los sc ip s de
simulación y analiza sus esul ados pa a de e mina si su uncionalidad es
co ec a y medi sus e asos, su po encia y su UGN.
Los expe imen os lle ados a cabo con modelos de ansis o es p edic i os
en dis in os nodos DSM (PTM
32 nm
,
22 nm
y
16 nm
) mues an como,
e ec i amen e en Domino, las en ajas de elocidad asociadas al escalado
son con a es adas po la necesidad de inc emen a el ansis o keepe ,
como consecuencia de las mayo es co ien es de ugas.
78 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
VDD VDD
CLK
CLK
INA
INB
INC
TPR TPK
TFT
TIN
TIN
TIN
OUT
T ansis o W / Wmin
TPR 5
TFT 10
TIN 5
TPK Va iable
Figu a 3.2: Pue a Dominó u ilizada en los expe imen os.
3.
Se pueden ob ene mejo es comp omisos en e las igu as de mé i o
an e io es. Es o es in e esan e desde un pun o de is a p ác ico pa a
consegui ci cui os con un buen comp omiso de elocidad-ene gía y
una obus ez azonable en los ci cui os.
El análisis an e io indica que, a di e encia de los pipeline con enciona-
les, los pipeline Dominó con elojes de múl iples ases solapados pod ían
bene icia se de un pipeline muy ag esi o. El caso lími e es un ni el de pue a
po ase de eloj. Es o es, una a qui ec u a nanopipeline.
3.1.2. Resul ados de simulación con di e en es a qui ec u-
as.
Se han lle ado a cabo dis in os expe imen os de simulación pa a p oba
las a i maciones an e io es y cuan i ica las en ajas del uso de pipeline de
una pue a po ase de eloj (nanopipeline). Se han analizado supe pipelines
cons uidos a pa i de 24 pue as Dominó in e conec adas y con igu adas
con una señal de eloj de es ases. La Figu a 3.2 mues a la pue a Dominó
seleccionada y su dimensionamien o.
Las simulaciones se han ealizado en una ecnología CMOS come cial
de 130nm y 1.2V. La longi ud del canal de odos los ansis o es se ha

3.1. A qui ec u a supe pipeline.79
seleccionado como el mínimo de la ecnología. En los expe imen os se han
u ilizado es amaños di e en es pa a el ansis o keepe , denominados
keepe pequeño (S), in e medio (M) y g ande (L). El amaño del ansis o
keepe in e medio es el doble del keepe más pequeño. El amaño del
ansis o keepe g ande es el doble que el del ansis o keepe in e medio.
Es a pue a es un elemen o cla e en a qui ec u as de sumado es común-
men e u ilizados, como los Kogge S one. Las pue as es án conec adas de
al mane a que los cambios en la en ada se p opagan a a és del ci cui o
y cada pue a se exci a con la combinación de en ada de peo caso.
Se han simulado cua o a qui ec u as:
ARQ8: ocho pue as po ase de eloj.
ARQ4: cua o pue as po ase de eloj.
ARQ2: dos pue as po ase de eloj.
ARQ1: una sola pue a po ase de eloj.
P ime expe imen o. Las cua o a qui ec u as se han simulado a di e-
en es ecuencias pa a de e mina la ensión de alimen ación mínima (
VDD
)
a la que se ob iene un uncionamien o co ec o. Se aplican modelos ípicos
de ansis o es (TT) y elojes ideales. Se ha medido la po encia pa a cada
a qui ec u a con es e
VDD
mínimo. Se ha aplicado la misma secuencia de
en ada al e nando “0” y “1” a las cua o a qui ec u as.
La Figu a 3.3(a) mues a los alo es mínimos de
VDD
pa a cada a qui ec-
u a con un ansis o keepe in e medio a di e en es ecuencias. Se obse a
como la ecuencia máxima de
ARQ1
es á po encima de la ecuencia
máxima del expe imen o.
ARQ1
abaja en es a ecuencia con un
VDD
educido de 0.92V.
La Figu a 3.3(b) mues a los alo es mínimos de
VDD
pa a
ARQ2
con
los es amaños del ansis o keepe . Se obse a que, ni siquie a con un
amaño de keepe pequeño, se puede llega a una ecuencia máxima de
ope ación.
La Figu a 3.4(a) mues a los esul ados de po encia. De las cua o
a qui ec u as con keepe in e medio, se obse a que, al igual que en la
Figu a 3.3(a), la ecuencia máxima de uncionamien o se educe con el
núme o de ni eles de pue a po ase de eloj, y que la po encia aumen a con
80 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
0123456
F ecuencia (GHz)
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
VDD Min (V)
ARQ1
ARQ2
ARQ4
ARQ8
(a) Pa a las cua o a qui ec u as con ansis o keepe in e medio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
F ecuencia (GHz)
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
VDD Min (V)
Keepe S
Keepe M
Keepe L
(b) Con es amaños de ansis o keepe pa a ARQ2.
Figu a 3.3: VDD mínimo en e a ecuencia.
la ecuencia. Se puede obse a que, pa a una ecuencia ija, la po encia se
educe con el núme o de ni eles de pue a po ase de eloj ya que la ensión
de alimen ación mínima es in e io .
ARQ2
puede unciona a la ecuencia
máxima de uncionamien o de
ARQ4
con menos de la mi ad de po encia
(43%).
ARQ1
puede unciona a la ecuencia máxima de uncionamien o
de ARQ2con un 44 % de su po encia.
La Figu a 3.4(b) mues a g á icos de po encia pa a
ARQ2
con los
es amaños del ansis o keepe . Se obse a que la ecuencia se educe
lige amen e y la po encia se inc emen a con el amaño del keepe . Mejo a la
ole ancia al uido median e el aumen o de la ue za del keepe se penaliza
3.1. A qui ec u a supe pipeline.81
0123456
F ecuencia (GHz)
0
100
200
300
400
500
600
Po encia ( W)
ARQ1
ARQ2
ARQ4
ARQ8
(a) Pa a las cua o a qui ec u as con ansis o keepe in e medio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
F ecuencia (GHz)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Po encia ( W)
Keepe S
Keepe M
Keepe L
(b) Con es amaños de ansis o keepe pa a ARQ2.
Figu a 3.4: Po encia en e a ecuencia.
en é minos de elocidad y po encia. Se ha ob enido un compo amien o
simila pa a las o as es a qui ec u as.
La Figu a 3.5 mues a el p oduc o Ene gía*T o
Po encia ∗T2
, una
mé ica ú il pa a e alua el comp omiso ene gía- elocidad. La Figu a 3.5(a)
compa a esul ados pa a las cua o a qui ec u as con ansis o es keepe
idén icos y la Figu a 3.5(b) ep esen a los esul ados pa a
ARQ2
con los
es amaños de ansis o keepe explo ados.
Como e a de espe a , pa a una ecuencia ija, E
·
Tse educe cuando
lo hace el núme o de ni eles de pue a po ase de eloj (Figu a 3.5(a)) o
el amaño del ansis o keepe (Figu a 3.5(b)), así como la po encia. Se
82 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
0123456
F ecuencia (GHz)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
E T (pJ nS)
ARQ1
ARQ2
ARQ4
ARQ8
(a) Pa a las cua o a qui ec u as con ansis o keepe in e medio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
F ecuencia (GHz)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
E T (pJ nS)
Keepe S
Keepe M
Keepe L
(b) Con es amaños de ansis o keepe pa a ARQ2.
Figu a 3.5: P oduc o E·T.
puede obse a que el p oduc o E
·
Tse man iene casi cons an e pa a las
ecuencias de ope ación de más de 1 GHz.
Segundo expe imen o.
Repe imos el p ime expe imen o usando un
análisis de có ne s (incluyendo SS, FF, SF y FS) pa a de e mina el
VDD
mínimo. La Figu a 3.6 mues a los esul ados de po encia en e a ecuencia.
La Figu a 3.6(a) p esen a esul ados pa a las cua o a qui ec u as con el
amaño del ansis o keepe in e medio y la Figu a 3.6(b) esul ados pa a
ARQ2con los es amaños de ansis o keepe .
La Figu a 3.7(a) compa a E
·
Tpa a las cua o a qui ec u as con un
3.1. A qui ec u a supe pipeline.83
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
F ecuencia (GHz)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Po encia ( W)
ARQ1
ARQ2
ARQ4
ARQ8
(a) Pa a las cua o a qui ec u as con ansis o keepe in e medio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
F ecuencia (GHz)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Po encia ( W)
Keepe S
Keepe M
Keepe L
(b) Con es amaños de ansis o keepe pa a ARQ2.
Figu a 3.6: Po encia en e a ecuencia en segundo expe imen o.
ansis o keepe in e medio y la Figu a 3.7(b) ep esen a los esul ados pa a
ARQ2
con los es ansis o es keepe . Se obse an las mismas endencias y
ex aen las mismas conclusiones que en el análisis nominal. Sin emba go, es
in e esan e compa a los esul ados ob enidos de ambos expe imen os.
La Figu a 3.8(a) mues a los esul ados de po encia de ambos expe i-
men os pa a
ARQ1
y
ARQ4
(simulaciones TT pa a el Expe imen o 1 y
análisis de có ne s pa a el Expe imen o 2). Se obse a, como e a de espe a ,
que aumen a la po encia en el Expe imen o 2. Se equie en alo es más
al os de
VDD
pa a log a un uncionamien o co ec o de có ne s pa a el
caso TT. También la ecuencia máxima de uncionamien o se educe en

84 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
F ecuencia (GHz)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
E T (pJ ns)
ARQ1
ARQ2
ARQ4
ARQ8
(a) Pa a las cua o a qui ec u as con ansis o keepe in e medio.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
F ecuencia (GHz)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
E T (pJ ns)
Keepe S
Keepe M
Keepe L
(b) Con es amaños de ansis o keepe pa a ARQ2.
Figu a 3.7: P oduc o E·Ten segundo expe imen o.
el Expe imen o 2. Es in e esan e no a que se ob ienen esul ados mejo es
pa a
ARQ1
con có ne s que con
ARQ4
TT. Es deci , la po encia de
ARQ1
con
VDD
su icien emen e al o pa a sopo a a iaciones de los pa áme os
de có ne s es más baja que la po encia de
ARQ4
a esa misma ecuencia,
ga an izando un co ec o uncionamien o en TT solamen e.
La Figu a 3.8(b) mues a los esul ados de E
·
Tpa a
ARQ1
y
ARQ4
pa a el Expe imen o 1 (TT) y pa a el Expe imen o 2 (có ne s). Una ez
más, es e iden e la supe io idad de
ARQ1
incluso cuando se ope a a un
VDD su icien e pa a ole a a iaciones de los pa áme os de có ne s.
La Figu a 3.9 compa a la ene gía de
ARQ2
y
ARQ4
con la ene gía de
3.1. A qui ec u a supe pipeline.85
0123456
F equencia (GHz)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Po encia ( W)
A ch1 CORNERS
A ch1 TT
A ch4 CORNERS
A ch4 TT
(a) Po encia en e a ecuencia.
0123456
F ecuencia (GHz)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
E T ( J ns)
ARQ1 CORNERS
ARQ1 TT
ARQ4 CORNERS
ARQ4 TT
(b) P oduc o E·T.
Figu a 3.8: Análisis nominal y de có ne s de ARQ1yARQ4.
ARQ1
con un ansis o keepe que es dos eces más ancho y con un
VDD
lo su icien emen e al o como pa a ole a a iaciones de los pa áme os
de có ne s. Los esul ados mues an cómo el uso de un meno núme o de
ni eles po ase se puede aplica simul áneamen e pa a mejo a la elocidad,
la obus ez y la ole ancia al uido, mien as se aho a ene gía. Po ejemplo,
la compa ación de los pun os A y B mues a que
ARQ1
puede sopo a
có ne s a
3 GHz
y ole a ni eles de uido más al os y con menos ene gía
que el diseño
ARQ4
de
1.5 GHz
, que no ole a có ne s y que ole a menos
uido. Es deci , educiendo el núme o de pue as po ase de eloj, se pueden
log a comp omisos más compe i i os en e los di e en es c i e ios de diseño.
Es bien sabido que si se conside an las a iaciones in a-die, la educ-
86 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
0123456
F ecuencia (GHz)
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
E (pJ)
ARQ1 CORNERS
ARQ2 TT
ARQ4 TT
B
A
Figu a 3.9: Ene gía en e a ecuencia compa ando
ARQ2
y
ARQ4
TT y
có ne s de ARQ1.
ción del núme o de ni eles lógicos inc emen a la a iabilidad (medida en
é minos de la azón en e la des iación es ánda y la media del e aso) ya
que se educen los e ec os de cancelación (los e asos de unas pue as se
inc emen an y los de o as se educen esul ando en una meno a iación
global) [95]. En es e sen ido, inc emen a la p o undidad del pipeline, que
educe el núme o de ni eles lógicos, se ía nega i o. Sin emba go, hay que
hace algunas pun ualizaciones. En p ime luga , el impac o depende mucho
del peso ela i o de las a iaciones in a-die ein e -die. En segundo luga , en
el con ex o de la implemen ación de pipelines, al educi el núme o de ni eles
lógicos, el núme o de e apas del pipeline se inc emen an. Se ha mos ado que
es o úl imo educe la a iabilidad asociada a las a iaciones in a-die [96],
compensando el inc emen o asociado a la educción del núme o de ni eles.
Te ce expe imen o.
Se han empleado elojes no ideales con el in de
explo a la ole ancia al skew de las a qui ec u as es udiadas. Las simulacio-
nes se han ealizado con modelos de ansis o es ípicos y el eloj modelado
con no idealidades. La sepa ación nominal en e los lancos c í icos de ases
consecu i as de eloj se aumen a o se educe en un po cen aje de e minado
del ciclo de eloj. Aplicando es as señales de eloj, se pone a p ueba el
3.1. A qui ec u a supe pipeline.87
uncionamien o del ci cui o bajo escena ios c í icos. En pa icula , se han
conside ado en las simulaciones la educción de la sepa ación en e los lan-
cos de subida de ases de eloj consecu i as y la educción de la sepa ación
del lanco de subida de una ase y el lanco de bajada de su p edeceso .
A es e úl imo caso le co esponde aco a el iempo de supe posición, que
es c í ico en muchos casos. El expe imen o e alúa el po cen aje máximo
ole ado.
No se han ob enido en ajas al educi el núme o de pue as po ase
de eloj pa a las ecuencias más bajas. Con las señales de eloj con un
du y cycle del 50 %, el allo es á asociado con la exp esión 3.2. Es deci , los
ci cui os allan debido a que el solape no es lo su icien emen e g ande como
pa a da cabida al skew y al iempo de man enimien o (
hold
). Cla amen e,
cuando ope amos ci cui os muy po debajo de su ecuencia máxima de
uncionamien o,
bo ow
= 0 y, así, el compo amien o es independien e del
núme o de pue as po ase de eloj ya que
hold
es simila pa a las cua o
a qui ec u as. Sin emba go, se han ob enido mejo as cuando se aumen a la
ecuencia. Po ejemplo, a 4 GHz,
ARQ2
ole a un skew de eloj has a el 6 %
del ciclo de eloj, mien as que
ARQ1
exhibe un uncionamien o co ec o
con un skew de eloj del 15 %. Es e esul ado puede explica se sob e la base
de las di e encias en e los equisi os de
bo ow
pa a cada a qui ec u a. Con
bo ow
de
ARQ2
mayo que
bo ow
de
ARQ1
, y ya que es la suma de
bo ow
y
skew
lo que hay que acomoda ,
ARQ1
ole a un
skew
mayo que
ARQ2
.
Pues o que
To e
aumen a con el du y cycle, se han explo ado alo es más
al os pa a es e pa áme o. Es e iden e que es á limi ado po la exp esión
3.1. En ambos casos, la ole ancia al skew ha subido al aumen a el du y
cycle.
ARQ1
ha alcanzado un uncionamien o co ec o con un skew de has a
el 25%.
ARQ2
no abaja con un skew de más del 10 %. Además,
ARQ1
exhibe esa ole ancia incluso pa a un
VDD
educido en un 20%. El skew
máximo epo ado pa a ARQ2no puede ole a el escalado de VDD.
3.1.3. Sumado Kogge S one.
Po úl imo, con el in de comple a los expe imen os an e io es, se ha
lle ado a cabo el diseño de un bloque ca y me ge (CM) de un sumado
Kogge S one [97] en una ecnología PTM de
22 nm
. Es deci , se e alúa aho a
una ed de in e conexión que exhibe pa ones más ealis as. A di e encia de
la cadena de pue as, las pue as del sumado son con oladas po más de
una pue a, y ambién su an-ou es mayo . Además, los expe imen os se
lle an a cabo en una ecnología escalada, lo que puede se ele an e pa a los
ci cui os dinámicos debido a su mayo suscep ibilidad al uido ya desc i a.
94 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
iempo (ns)
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
OUTDOE10
OUTDOM10
OUTDOM2
OUTDOM1
CLK2
CLK1
IN
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
A B
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
A B
A B
Figu a 3.15: Compo amien o de nanopipelines Dominó y DOE con dos
ases de eloj y un DTC al 50 %.
Si el e aso mínimo de pue a, ∆
pue a
, de acue do con 3.7, es nega i o,
se ga an iza un uncionamien o sin allos de deslizamien o. En dos ases de
eloj, los p oblemas de deslizamien o se inc emen an ya que
Tlow < T/
2,
po lo que una mínima a iación en las señales de eloj pueden hace que el
e aso mínimo sea posi i o.
El ca ác e in e so de las pue as DOE y su e aluación y p eca ga
e asadas pod ían se en ajosos pa a la ope ación nanopipeline con dos
ases de eloj. Con es a mo i ación se ha ealizado el siguien e expe imen o.
Se han simulado nanopipelines usando pue as DOE y pue as Dominó,
a iando el DTC de la señal de eloj. Las simulaciones se han ealizado a
400 MHz.
La Figu a 3.15 co esponde a una simulación con un DTC del 50%. En
ella se mues an la en ada de los dos ci cui os (
IN
), las dos ases de eloj
(
CLK1
y
CLK2
), las salidas de ambos ci cui os (
OUTDOM10
y
OUTDOE10
)
y las salidas de las p ime as dos pue as Dominó (
OUTDOM1
y
OUTDOM2
).
Con la en ada (
IN
) al e nando unos y ce os, se espe a que es os da os
comiencen a llega a la salida de las cadenas a pa i del quin o ciclo de
eloj. Se obse a que el nanopipeline DOE unciona co ec amen e, no así
el Dominó.
En el pipeline de pue as Dominó la p ime a pue a e alúa co ec amen e.
Sin emba go, al no habe solape, la segunda pue a no alcanza a e alua y
su salida pe manece en bajo, p opagándose es e es ado po odas las e apas.

3.3. Di icul ades de los nanopipelines de dos ases. 95
El pipeline DOE p opaga co ec amen e los da os de la en ada has a su
salida.
Es e compo amien o se explica en la Figu a 3.16, donde se ilus a la
ope ación del nanopipeline DOE. En la Figu a 3.16(a), se mues a la en ada
(
IN
), las dos ases de eloj (
CLK1
y
CLK2
) y las salidas de las p ime as
cua o pue as (
OUT1
,
OUT2
,
OUT3
y
OUT4
). En la Figu a 3.16(b) se
mues a una ampliación de egión delimi ada en la Figu a 3.16(a), pa a
mos a en de alle la en aja de las pue as DOE al ene uncionalidad
in e so a y una p eca ga e asada.
En es a igu a se mues an las dos ases de eloj (
CLK1
y
CLK2
) y
sus señales e asadas (
CLK1D
y
CLK2D
), el nodo dinámico de la segun-
da pue a (
NOD2
), la salida de la pue a NAND de la segunda pue a
(NAND2) y las salidas de las p ime as dos pue as (OUT1yOUT2).
Cuando
CLK1
inicia la p eca ga, la salida de la p ime a pue a con inúa
en al o has a que
CLK1D
baja y comienza a p eca ga se. Es e iempo es
ap o echado po la segunda pue a que desca ga su nodo dinámico al inicio
de la e aluación de
CLK2
. Cuando comienza la e aluación de
CLK2D
, el
nodo dinámico de la segunda se ha desca gado lo su icien e pa a e i a la
desca ga de la NAND y man ene la salida de la pue a en bajo. Es o es,
pues o que la p eca ga de la salida de las pue as DOE es á con olada po
la señal de eloj e asada, exis e un solape incluso cuando ope an con un
DTC del 50 %.
Es o no ga an iza el uncionamien o con dos ases sin solape de cualquie
ci cui o con pue as DOE. Su uncionamien o depende á del dimensiona-
mien o de la e apa de salida (NAND e in e so ), que de e mina los iempos
de p eca ga y de la complejidad de las pue as, que incide en los iem-
pos de desca ga del nodo dinámico. Además, en es e caso la cadena DOE
es á uncionando con elojes ideales y no se puede ga an iza un óp imo
uncionamien o del pipeline cuando in e enga alguna no idealidad del eloj.
La o a p oblemá ica expe imen ada po los supe pipelines Dominó se
da cuando se inc emen a el DTC y apa ecen los allos de deslizamien o,
p o ocando un allo uncional en el pipeline como se mues a en la Figu a
3.17, co espondien e a un DTC del 60%. Nue amen e se espe a que la
al e nancia de unos y ce os en la en ada (
IN
) se ea e lejada en la salida
de las cadenas (
OUTDOM
y
OUTDOE
) a pa i del quin o ciclo de eloj.
La cadena DOE unciona de acue do a lo espe ado, sin emba go la cadena
Dominó no lo hace.
Pa a iden i ica donde se ha p oducido el allo de deslizamien o, se han
analizado las señales de salida (
OUT1
,
OUT2
y
OUT3
) de las p ime as es
96 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
iempo (ns)
0.0 5.0 15.0 20.0 25.0
OUT4
OUT3
OUT2
OUT1
CLK2
CLK1
IN
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
1 2 3 4 5
12345
BCA
BCA
BCA
BCA
BCA
(a) Ope ación del nanopipeline DOE.
T ansien Response
iempo (ns)
12.5 12.7
OUT1
CLK2
CLK1
NOD2
NAND2
OUT2
CLK2D
CLK1D
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
(b) De alle de la zona ma cada en (a).
Figu a 3.16: Compo amien o de e apas in e nas del nanopipeline DOE con
un DTC del 50 %.
pue as Dominó, que se mues an en la Figu a 3.18. La p ime a pue a
e alúa co ec amen e de acue do a la en ada (
IN
). Debido al solape en e
los elojes (
CLK1
y
CLK2
), cuando en la en ada hay un es ado al o, es e
se p opaga no solo a la p ime a pue a, sino ambién a las pue as sucesi as
3.3. Di icul ades de los nanopipelines de dos ases. 97
iempo (ns)
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0
CLK2
CLK1
IN
OUTDOM
OUTDOE
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
12345
1 2 3 4 5
A B
A B
Figu a 3.17: Compo amien o de nanopipelines Dominó y DOE con dos
ases de eloj y un DTC del 60 %.
iempo (ns)
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0
OUT3
OUT2
OUT1
CLK2
CLK1
IN
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
A B
A B
A B
A B
1 2 3 4
1 2 3 4
Figu a 3.18: P ime as es e apas del pipeline Dominó con dos ases de eloj
y un DTC del 60 %.
como se ha ma cado en la igu a.
El pipeline con pue as DOE no p esen a los allos de deslizamien o que
p esen a su equi alen e Dominó, aunque el solape en e las dos ases de
eloj educe el iempo en al o de las salidas de las pue as como se ilus a
98 Capí ulo 3. Análisis de a qui ec u as supe pipeline.
iempo (ns)
0.0 2.5 5.0 7.5 10
OUT3
OUT2
NAND2
NOD2
OUT1
CLK2
CLK1
IN
CLK2D
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
V (V)
0.0
.6
1.2
A
B
Figu a 3.19: Señales in e nas de la segunda pue a DOE con DTC al 60 %.
a con inuación. En la Figu a 3.19, se obse an las señales in e nas de la
segunda pue a DOE. Cuando la salida de la p ime a pue a (
OUT1
) e alúa,
el nodo dinámico de la segunda pue a (
NOD2
) comienza a desca ga se (
A
)
du an e el iempo de solape en e las dos ases de eloj (
CLK1
y
CLK2
).
Es a desca ga del nodo dinámico, jun o con el eloj e asado que se mues a
supe pues o con
CLK2
, hacen que la salida de la pue a NAND (
NAND2
)
se ponga en al o (
B
) an es de que el eloj e asado e mine su ase de
e aluación y po an o disminuye el iempo en al o de la salida de la pue a
(
OUT2
). Sin emba go, a di e encia del pulso p oducido en la salida de la
segunda pue a del pipeline Dominó, es e aco amien o no iene ningún
e ec o sob e la e apa siguien e. Además, es a educción del iempo en al o
no es acumula i a y la salida de las pue as sucesi as p esen a la misma
educción.
3.4. Conclusiones.
En es e capí ulo se ha ealizado un análisis de las a qui ec u as supe -
pipeline. En p ime luga , se ha es udiado el impac o de la p o undidad
del pipeline asumiendo un núme o de ases de eloj de e minado. Se han
ealizado simulaciones de a qui ec u as supe pipelines Dominó con dis in o
núme o de ni eles de pue as po ase que han mos ado las en ajas en
3.4. Conclusiones. 99
ecuencia, po encia, inmunidad al uido y ole ancia al skew al educi dicho
núme o. Se ha concluido que los supe pipeline se bene ician de un pipeline
muy ag esi o en é minos de elocidad, e iciencia ene gé ica o obus ez.
Como caso de es udio, se ha e aluado una implemen ación nanopipeline
del Ca y Me ge de un sumado Kogge S one en una ecnología DSM. Se
han ob enido ealizaciones que exhiben comp omisos muy sa is ac o ios
en e los c i e ios de diseño mencionados an e io men e.
En segundo luga , se ha demos ado que las pue as DOE p opues-
as pueden ope a se en una con igu ación nanopipeline. Finalmen e, se ha
analizado la ope ación de los nanopipelines con dos ases de eloj, cons-
uidos an o con pue as Dominó como con pue as DOE. Es os úl imos
han demos ado que no p esen an los allos de deslizamien o de Dominó.
Es o es in e esan e desde el pun o de is a de la obus ez de es e ipo de
a qui ec u as, simpli icando signi ica i amen e su diseño.

Capí ulo 4
Validación expe imen al.
En los Capí ulos 2 y 3 de es a Memo ia se ha desc i o el p incipio
de uncionamien o de la opología DOE, an o a ni el de pue a como
de ope ación pipeline y se han p esen ado esul ados de simulación. Es os
p ime os esul ados han mos ado las en ajas de las pue as DOE en cuan o
a elocidad y ole ancia al uido y su adecuación pa a la implemen ación
de a qui ec u as nanopipeline. Es os esul ados han mo i ado el diseño y
ab icación de un ci cui o in eg ado pa a la e i icación expe imen al de
nues as p opues as.
Es e capí ulo se es uc u a en es pa es. La p ime a ealiza una des-
c ipción gene al de la es uc u a in e na del ci cui o in eg ado. La segunda
mues a en de alle el diseño de cada uno de sus componen es. La e ce a
desc ibe los esul ados expe imen ales ob enidos en el labo a o io.
4.1. Desc ipción gene al del ci cui o in eg ado.
El ci cui o in eg ado incluye pue as DOE de dis in o núme o de en-
adas, cadenas de pue as pa a ope ación nanopipeline y demos ado es
uncionales.
La Figu a 4.1 mues a un diag ama de al o ni el del ci cui o in eg ado,
indicando las es pa iciones (núcleos) en los que se ha di idido. Los núcleos
DIR y EXT se con olan con señales ex e nas. La señal de eloj puede se
analógica de dos ases o digi al de es ases. Po su pa e, el núcleo INT
abaja con señales de eloj gene adas in e namen e (bloque A) pa a pode
expe imen a a ecuencias de ope ación más al as. Sus en adas pueden se
ex e nas o in e nas, siendo, en es e caso, gene adas po el bloque B.
El ci cui o se ha in eg ado en una ecnología CMOS UMC de
130 nm
102 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
NÚCLEO DIR
NÚCLEO EXT
NÚCLEO INT
GENERADOR INTERNO
DE SEÑAL DE RELOJ
GENERADOR INTERNO
DE SEÑAL DE ENTRADA
Reloj digi al de
es ases
Reloj analógico
de dos ases
En adas
de con ol
Salidas
Pads
Analógicos
Pads
Digi ales
A
B
En adas
de da os
Figu a 4.1: Bloques del ci cui o in eg ado.
y
1.2 V
. En la Figu a 4.2 se mues a la is a layou (Figu a 4.2(a)) y su
diag ama de pines (Figu a 4.2(b)).
El ci cui o cuen a con 21 en adas, di ididas en en adas de da os,
señales de eloj y en adas de con ol, que se desc iben a con inuación:
En adas de da os. Son ocho las en adas de da os disponibles. Cua o
pa a los núcleos DIR y EXT (
IN
1
_EXT
-
IN
4
_EXT
) y cua o pa a
el núcleo INT (
IN
1
_INT
-
IN
4
_INT
).
IN
1
_EXT
e
IN
1
_INT
se
pueden gene a con un gene ado de pa ones o bien, con un gene ado
de señales pa a mayo lexibilidad a la ho a de sinc oniza con la señal
de eloj.
En adas de señal de eloj. Dos en adas pa a la señal de eloj analó-
gica de dos ases asociadas a pads analógicos,
CLK
1
_ANLG
y
CLK
2
_ANLG
, que se conec an a los núcleos DIR y EXT y se pueden
gene a con un gene ado de señal. T es en adas pa a la señal de eloj
digi al de es ases,
CLK
1
_DIG
,
CLK
2
_DIG
y
CLK
3
_DIG
que
se conec an al núcleo EXT y se gene an con un gene ado de pa ones.
En adas de con ol. Sie e en adas que pe mi en es ablece di e en-
es con igu aciones al sis ema.
TIPO_IN
pe mi e es ablece el ipo
4.1. Desc ipción gene al del ci cui o in eg ado. 103
(a) Layou .
1NC
2NC
3NC
4NC
5MUX1_EXT
6MUX2_EXT
7VDD
8CLK2_ANLG
9CLK1_ANLG
10 GND
11 DIR1
12 DIR2
13 DIR3
14 NC
15 NC
16 NC
48
NC 47
NC 46
NC 45
IN1_INT 44
IN2_INT 43
IN3_INT 42
IN4_INT 41
SEL1_INT 40
SEL2_INT 39
VCC 38
VCC 37
GND 36
GND 35
NC 34
NC 33
NC
IN_DIR
17
MUX5_EXT
18
MUX4_EXT
19
SEL2_EXT
20
SEL1_EXT
21
IN4_EXT
22
IN3_EXT
23
IN2_EXT
24
VDD
25
VSS
26
FREQ1
27
FREQ2
28
MUX7_INT
29
MUX8_INT
30
MUX6_INT
31
MUX5_INT
32
MUX3_EXT 64
IN1_EXT 63
MUX7_EXT 62
MUX6_EXT 61
CLK3_DIG 60
CLK2_DIG 59
CLK1_DIG 58
VDD 57
VSS 56
TIPO_OSC 55
MUX3_INT 54
MUX4_INT 53
MUX1_INT 52
MUX2_INT 51
TIPO_IN 50
VSS 51
(b) Diag ama de pines.
Figu a 4.2: Ci cui o in eg ado.
110 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
la si uación de peo caso pa a e aso en cada ci cui o. Las en adas de
da os se compa en po los dis in os bloques y las salidas de sus ci cui os
in e nos se conec an a mul iplexo es 4-1. Al se un núcleo diseñado pa a al as
ecuencias, las salidas se acondicionan pa a cumpli con las limi aciones de
ecuencia (ap oximadamen e
200 MHz
) de los pads del ci cui o in eg ado.
Pa a ello se conec an las salidas de los mul iplexo es a ci cui os di iso es
que pe mi en di idi po 16 la ecuencia de las señales de salida de sus
ci cui os. La desc ipción gene al de cada uno de es os bloques se ealiza a
con inuación:
1.
B1 – Gene ado CLK 2 Fases. Es e bloque con iene un ci cui o que
gene a una señal de eloj de dos ases cuya ecuencia iene de e mi-
nada po los alo es de 3 señales de con ol
TIPO_OSC
,
FREQ
1
y
FREQ
2. Con
TIPO_OSC
se puede elegi en e un oscilado á-
pido (nominal esquemá ico a
3.2 GHz
) y un oscilado len o (nominal
esquemá ico a
1.7 GHz
). Pa a cada uno de ellos
FREQ
1y
FREQ
2
pe mi en selecciona la mi ad, la cua a pa e, la oc a a pa e o la
dieciseisa a pa e de la ecuencia del oscilado co espondien e.
2.
B2 – Gene ado CLK 3 Fases. Es e bloque con iene un ci cui o que
gene a una señal de eloj de es ases cuya ecuencia iene dada
po los alo es de las señales de con ol
FREQ
1y
FREQ
2que
pe mi en selecciona la ecuencia o la mi ad de ella, de cada uno de
los oscilado es.
3.
B3 - Gene ación En ada. Es e bloque con iene un ci cui o di iso de
ecuencia a la mi ad, cuya en ada es la ase uno de la señal de eloj
del gene ado in e no de dos ases. La salida del di iso se conec a
a un mul iplexo 2-1 que ambién ecibe la señal de en ada ex e na
IN1_INT y se con ola po la señal ex e na TIPO_IN.
4.
B4 - Gene ación En ada. Al igual que en el bloque B3, es e bloque
con iene en su in e io un ci cui o di iso de ecuencia a la mi ad
cuya en ada es la ase uno de la señal de eloj del gene ado in e no
de es ases. Es a señal in e na se conec a a un mul iplexo 2-1 que
ambién ecibe la señal de en ada ex e na
IN
1
_INT
que se con ola
po la señal ex e na TIPO_IN.
5.
B5 – Nanopipeline DOE 2 Fases. El bloque con iene es nanopipelines
de di e en es p o undidades. Los ci cui os es án con igu ados pa a
ope a con las dos ases de eloj gene adas po el bloque B1. La salida

4.1. Desc ipción gene al del ci cui o in eg ado. 111
MUX 1
A
B
C
D
MUX 2
SALIDAS B1
B5: NANOPIPELINE DOE 2 FASES
A. Nanopipeline 4 pue as NOR-32.
B. Señal 1 del eloj de dos ases.
C. Nanopipeline 10 pue as NOR-16.
D. Nanopipeline 10 pue as NOR-6.
A
B
C
D
CLK
INT 3F
B6: NANOPIPELINE DOE 3 FASES
A. Nanopipeline 4 pue as NOR-32.
B. Señal 1 del eloj de es ases.
C. Nanopipeline 10 pue as NOR-16.
D. Nanopipeline 10 pue as NOR-6.
IN
IN
MUX 3
MUX 4
A
B
C
D
CLK
INT 2F
B7: SUMADOR KS 2 FASES
A. Aca eo C2.
B. Aca eo C3.
C. Aca eo C0.
D. Aca eo C1.
A. Aca eo C5.
B. Aca eo C4.
C. Aca eo C7.
D. Aca eo C6.
A
B
C
D
MUX 5
MUX 6
A
B
C
D
CLK
INT 2F
B8: SUMADOR CLA 2 FASES
A
B
C
D
SALIDAS B2
SALIDAS B4
SALIDAS B5
SEL1_INT
A. Aca eo C2.
B. Aca eo C3.
C. Aca eo C0.
D. Aca eo C1.
A. Aca eo C0_N.
B. Aca eo C1_N.
C. Sumando S2.
D. Sumando S3.
IN1_INT
IN2_INT
IN3_INT
IN4_INT
IN1_INT
IN2_INT
IN3_INT
IN4_INT
MUX1_INT
MUX2_INT
MUX3_INT
MUX4_INT
MUX5_INT
MUX6_INT
SEL1_INT
MUX 7
MUX 8
A
B
C
D
CLK
INT 3F
B9: SUMADOR KS 3 FASES
A
B
C
D
SALIDAS B5
A. Aca eo C2.
B. Aca eo C3.
C. Aca eo C0.
D. Aca eo C1.
A. Aca eo C5.
B. Aca eo C4.
C. Aca eo C7.
D. Aca eo C6.
IN1_INT
IN2_INT
IN3_INT
IN4_INT
MUX7_INT
MUX8_INT
DIV/16
DIV/16
DIV/16
DIV/16
DIV/16
DIV/16
DIV/16
DIV/16
CLK1_3F
CLK2_3F
CLK2_3F
CLK
INT 3F
CLK1_2F
CLK2_2F
CLK1_2F
CLK2_2F
CLK1_2F
CLK2_2F
CLK1_3F
CLK2_3F
CLK2_3F
B1: Gene ado
CLK 2 Fases
TIPO_OSC
FREQ1
FREQ2
CLK1_2F
CLK2_2F
B2: Gene ado
CLK 3 Fases
FREQ1
FREQ2
CLK1_3F
CLK2_3F
CLK2_3F
TIPO_OSC
B3: Gene ado
de en ada
IN1_INT
CLK1_2F
TIPO_IN
B4: Gene ado
de en ada
IN1_INT
CLK1_3F
TIPO_IN
IN_INT_2F
IN_INT_3F
IN_INT_2F
IN_INT_3F
Figu a 4.8: Diag ama de bloques del núcleo INT.
112 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
de cada ci cui o y la salida de la p ime ase del eloj in e no de dos
ases se conec an al mul iplexo MUX1.
6.
B6 – Nanopipeline DOE 3 Fases. Al igual que el bloque B5, es e
con iene es nanopipelines de di e en es p o undidades. Todos ellos
con igu ados pa a ope a con las es ases de eloj gene adas po el
bloque B2. La salida de cada uno de los ci cui os y la salida de la
p ime a ase del eloj in e no de es ases se conec an al mul iplexo
MUX2.
7.
B7 – Sumado KS 2 Fases. Es e bloque con iene el bloque de aca eos
de un sumado Kogge S one de 8 bi s. El ci cui o es á con igu ado
pa a ope a con las dos ases de eloj gene adas po el bloque B1. Po
simplicidad, únicamen e ocho de sus salidas se han dispues o pa a su
obse ación ex e na y es án conec adas a dos mul iplexo es, MUX3 y
MUX4.
8.
B8 - Sumado CLA 2 Fases. Es e bloque con iene un sumado Ca y
Look Ahead de 4 bi s. El ci cui o es á con igu ado pa a ope a con
las dos ases de eloj gene adas po el bloque B1. Po simplicidad,
únicamen e ocho de sus salidas se han dispues o pa a su obse ación
ex e na y es án conec adas a dos mul iplexo es, MUX5 y MUX6.
9.
B9 - Sumado KS 3 Fases. Es e bloque con iene el bloque de aca eos
de un sumado Kogge S one de 8 bi s. El ci cui o es á con igu ado
pa a ope a con las es ases de eloj gene adas po el bloque B2. Po
simplicidad, únicamen e ocho de sus salidas se han dispues o pa a su
obse ación ex e na y es án conec adas a dos mul iplexo es, MUX7 y
MUX8.
4.2. Diseño.
4.2.1. Ci cui os de pue as DOE.
Se han p opues o cua o ipos de pue as con el in de e alua su
compo amien o según su uncionalidad y núme o de en adas. Los cua o
ipos de pue a lle ados a la demos ación expe imen al se elacionan a
con inuación:
1. Pue a DOE de uncionalidad NAND de 2 en adas.
2. Pue a DOE de uncionalidad NOR de 6 en adas.
4.2. Diseño. 113
3. Pue a DOE de uncionalidad NOR de 16 en adas.
4. Pue a DOE de uncionalidad NOR de 32 en adas.
El dimensionamien o de los ansis o es en cada una de las pue as se ha
ealizado eniendo en cuen a su uncionalidad y núme o de en adas. Pa a
ello se ha modi icado el ancho (
W
) de los ansis o es, mien as que pa a la
longi ud (L) se ha man enido al mínimo pe mi ido po la ecnología.
Se han elegido como pa áme os de diseño el ancho de los ansis o es
de p eca ga, de la ed PDN de en adas, del ansis o oo e y el de
ealimen ación keepe . Po o a pa e, los ansis o es de los in e so es de
ealimen ación, de salida, de la celda de e aso y de la pue a NAND de la
e apa es á ica, se man ienen con un mismo dimensionamien o en odas las
pue as como se desc ibe a con inuación: en los in e so es es á icos se han
empleado ansis o es P con un ancho de
320 nm
y ansis o es N con ancho
de
160 nm
. En la pue a NAND es á ica se han empleado ansis o es P y
N con el ancho mínimo pe mi ido po la ecnología.
Como se ha mencionado an e io men e, las en adas de las pue as se
han conec ado de mane a que ope en en una si uación de caso peo . Pa a
log a es a condición se ha habili ado sólo una de las en adas, mien as
que las es an es se conec an a
VDD
o a ie a, según la uncionalidad de la
pue a. En el caso de la NAND las pue as es an es se conec an a
VDD
,
mien as que en las NOR se conec an a ie a.
NAND de 2 en adas.
Su ansis o de p eca ga se ha dimensionado
con un ancho de 10 eces el mínimo de la ecnología (
1.6µm
), los ansis o es
de la ed PDN con un ancho 5 eces el mínimo (
800 nm
), el ansis o oo e
con un ancho de 15 eces el mínimo (
2.4µm
) y el ansis o keepe con un
ancho de 7 eces el mínimo (
1.12 µm
). Su esquemá ico se mues a en la
Figu a 4.9(a) acompañado de la is a layou (Figu a 4.9(b)).
NOR de 6 en adas.
Su ansis o de p eca ga se ha dimensionado con
un ancho de 5 eces el mínimo de la ecnología (
800 nm
), los ansis o es de
la ed PDN con un ancho 5 eces el mínimo (
800 nm
), el ansis o oo e
con un ancho de 15 eces el mínimo (
2.4µm
) y el ansis o keepe con
un ancho de 5 eces el mínimo (
800 nm
). Su esquemá ico se mues a en la
Figu a 4.10(a) acompañado de la is a layou que se mues a en la Figu a
4.10(b).
114 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
VDD
VCLK
2.4µm
NOD
VDD
VOUT
VCLKD
800nm
800nm
1.6µm 1.12µm
VCLKD
VCLK
Elemen o de e aso
VIN
VDD
VCLK
(a) Esquemá ico.
(b) Layou .
Figu a 4.9: Pue a NAND de 2 en adas.
4.2. Diseño. 115
VDD
VCLK
2.4µm
NOD
VDD
VOUT
VCLKD
800nm 800nm
VCLKD
VCLK
Elemen o de e aso
VIN
VCLK
GND GND
IN1 – IN6 = 800nm
IN1IN2IN6
(a) Esquemá ico.
(b) Layou .
Figu a 4.10: Pue a NOR de 6 en adas.

116 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
NOR de 16 en adas.
La pue a NOR de 16 en adas es la más es udiada
den o de es e abajo y, po an o, es de las más empleadas en odos los
núcleos del ci cui o in eg ado. Su ansis o de p eca ga se ha dimensionado
con un ancho de 10 eces el mínimo de la ecnología (
1.6µm
), los ansis o es
de la ed PDN con un ancho 5 eces el mínimo (
800 nm
), el ansis o oo e
con un ancho de 15 eces el mínimo (
2.4µm
) y el ansis o keepe con un
ancho de 7 eces el mínimo (
1.12 µm
). Su esquemá ico se mues a en la
Figu a 4.11 (a) acompañado de la is a layou que se mues a en la Figu a
4.11 (b).
NOR de 32 en adas.
Es a es la pue a con mayo núme o de en adas
den o del ci cui o in eg ado. Su ansis o de p eca ga se ha dimensionado
con un ancho de 10 eces el mínimo de la ecnología (
1.6µm
), los ansis o es
de la ed PDN con un ancho 15 eces el mínimo (
2.4µm
), el ansis o
oo e con un ancho de 15 eces el mínimo (
2.4µm
) y el ansis o keepe
con un ancho de 7 eces el mínimo (
1.12 µm
). Su esquemá ico se mues a
en la Figu a 4.12 (a) acompañado de la is a layou que se mues a en la
Figu a 4.12 (b).
4.2.2. Ci cui os nanopipeline.
El diseño de los di e en es nanopipelines p esen es den o del ci cui o
in eg ado se ha ealizado in e conec ando pue as DOE en una con igu ación
de una pue a po ase de eloj. Den o del ci cui o in eg ado se pueden
encon a con un esquema de eloj de dos o es ases. En la Figu a 4.13 se
mues a el esquemá ico y el layou de un nanopipeline de 10 pue as de 6
en adas.
En conc e o se han diseñado los siguien es nanopipelines:
1.
Nanopipeline de 2 pue as DOE de uncionalidad NOR de 16 en adas.
2.
Nanopipeline de 2 pue as DOE de uncionalidad NOR de 32 en adas.
3.
Nanopipeline de 4 pue as DOE de uncionalidad NOR de 32 en adas.
4.
Nanopipeline de 10 pue as DOE de uncionalidad NOR de 6 en adas.
5.
Nanopipeline de 10 pue as DOE de uncionalidad NOR de 16 en a-
das.
4.2. Diseño. 117
VDD
VCLK
2.4µm
NOD
VDD
VOUT
VCLKD
1.6µm 1.12µm
VCLKD
VCLK
Elemen o de e aso
VIN
VCLK
GND GND
IN1 – IN16 = 800nm
IN1IN2IN16
(a) Esquemá ico.
(b) Layou .
Figu a 4.11: Pue a NOR de 16 en adas.
118 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
VDD
VCLK
2.4µm
NOD
VDD
VOUT
VCLKD
1.6µm 1.12µm
VCLKD
VCLK
Elemen o de e aso
VIN
VCLK
GND GND
IN1 – IN32 = 800nm
IN1IN2IN32
(a) Esquemá ico.
(b) Layou .
Figu a 4.12: Pue a NOR de 32 en adas.
4.2. Diseño. 119
IN2 – IN6
1
IN1
IN
CLK1
IN2 – IN6
2
IN1
CLK2
3
IN1
CLK3
4
IN1
CLK1
9
IN1
CLK3
10
IN1
CLK1
IN2 – IN6IN2 – IN6IN2 – IN6IN2 – IN6
OUT
(a) Esquemá ico.
(b) Layou .
Figu a 4.13: nanopipeline de 10 pue as de 6 en adas.
4.2.3. Ci cui os a i mé icos.
Los ci cui os a i mé icos incluidos den o del ci cui o in eg ado se han
diseñado empleando un nanopipeline de pue as DOE. Los ci cui os incluidos
son dos sumado es pa alelos ampliamen e u ilizados en ci cui os a i mé icos
de al o endimien o. El CLA (Ca y Look Ahead) se ha diseñado pa a
unciona con dos ases de eloj y el KS (Kogge S one) pa a unciona en
e siones de dos y es ases.
Sumado CLA.
La Figu a 4.14 mues a el diag ama de bloques de un
sumado CLA de 4 bi s. Cons a de cua o bloques de gene ación y p edicción
de aca eo, cua o bloques sumado es y un bloque de gene ación de aca eo
an icipado.
Los bloques de p edicción y gene ación de aca eo e alúan:
Pi=Ai+Bi(4.1)
Gi=AiBi(4.2)
Los bloques de gene ación de la suma e alúan:
Si=Pi⊕Ci(4.3)
126 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
Figu a 4.20: En o no de medida.
iene la capacidad de gene a señales con ecuencias de ope ación
de has a
50 MHz
pa a señales cuad adas y de has a
100 MHz
pa a
señales sinusoidales. El segundo equipo es un gene ado de pa ones
Agilen HP81134A, con capacidad pa a gene a señales cuad adas
con ecuencias de has a
3.35 GHz
. Ambos equipos se han u ilizado
du an e el es de los di e en es ci cui os, pa a ob ene la señal de
eloj ex e na de dos ases y la señal de en ada ex e na.
Osciloscopio Agilen DSO6104A In iniiVision. Con es e equipo se han
ealizado las cap u as g á icas de las ensiones de en ada y salida de
los di e en es ci cui os es eados.
Analizado lógico Agilen 16902B. Con es e equipo y el osciloscopio
p e iamen e desc i o, se han cap u ado las o mas de onda expe imen-
ales en las en adas y salidas del ci cui o in eg ado. También, se ha
u ilizado como gene ado de pa ones pa a ob ene la señal de eloj
digi al de es ases y las en adas ex e nas.

4.3. Resul ados ob enidos. 127
TIPO_OSC FREQ1 FREQ2 F. Medida F. In e na
0 007 MHz 112 MHz
0 0128 MHz 448 MHz
0 1014 MHz 224 MHz
0 1155 MHz 880 MHz
1 004 MHz 64 MHz
1 0116 MHz 256 MHz
1 108 MHz 128 MHz
1 1132 MHz 512 MHz
Tabla 4.3: Tabla de ecuencias eales de elojes in e nos de dos ases.
FREQ1 FREQ2 F. Medida F. In e na
0087 MHz 1.39 GHz
0122 MHz 352 MHz
1051 MHz 816 MHz
1112 MHz 192 MHz
Tabla 4.4: Tabla de ecuencias eales de elojes in e nos de es ases.
4.3.2. Tes de los bloques gene ado es de elojes.
Uno de los es ealizados en labo a o io ha consis ido en comp oba
las salidas de los gene ado es de señal de eloj incluidos en el núcleo INT.
Se han medido las ecuencias de las salidas del MUX1 y MUX2 con las
en adas de selección di eccionando su en ada B, que co esponden a la
p ime a ase de la señal de eloj en dos y es ases espec i amen e. Como
se ha expues o en la desc ipción del núcleo INT, las ecuencias en las salidas
de los mul iplexo es son di ididas a una dieciseisa a pa e pa a que puedan
se manejadas po los pads. Se ha incluido la columna “F. Medida” en las
ablas 4.3 y 4.4, donde se mues an las ecuencias medidas a a és de las
salidas
MUX
1
_INT
y
MUX
2
_INT
. También, se ha incluido la columna
"F. In e na"que mues a las ecuencias a las que han ope ado los ci cui os
del núcleo INT.
128 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Tiempo [ns]
0
0.5
1
1.5
2
CLK1_ANLG [V]
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Tiempo [ns]
0
1
2
IN1_EXT [V]
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Tiempo [ns]
0
2
4
DIR1 [V]
Figu a 4.21: Fo mas de onda expe imen ales de una pue a NOR de 16
en adas del núcleo DIR.
4.3.3. Tes de pue as.
Se ha ealizado un es en odas las pue as aisladas pa a comp oba su
uncionalidad, ob eniendo los esul ados espe ados en odas ellas. También
se empleando de mane a conjun a, el osciloscopio y el analizado lógico pa a
la cap u a de da os.
A con inuación, se mues an algunos de los esul ados ob enidos. En
la Figu a 4.21, se ilus a el compo amien o de una pue a DOE con un-
cionalidad NOR de 16 en adas incluida en el núcleo DIR. Las o mas de
onda ob enidas co esponden a la señal de eloj ex e na
CLK
1
_ANLG
, a
la en ada
IN
1
_EXT
y a la salida
DIR
1. Las ecuencias del es son de
20 MHz
y
10 MHz
, ambas con un du y cycle del 50 % pa a la señal de eloj
y de en ada espec i amen e. Conc e amen e, se aplica a la pue a una
secuencia que al e na ce os y unos. En la salida
DIR
1se obse a ambién
una secuencia de “0” y “1”, y la na u aleza in e so a de las pue as DOE.
El o o es que se mues a es el ealizado a dos pue as del núcleo
EXT. Se han seleccionado las en adas B de los mul iplexo es MUX1 y
MUX2, que co esponden a dos pue as de uncionalidad NOR de 32 y 6
en adas espec i amen e. En la Figu a 4.22 se mues a la señal de eloj
ex e na
CLK
1
_ANLG
con una ecuencia de
20 MHz
y la señal de en ada
4.3. Resul ados ob enidos. 129
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
1
2
CLK1_ANLG [V]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
1
2
IN1_EXT [V]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX1_EXT [V]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX2_EXT [V]
Figu a 4.22: Fo mas de onda expe imen ales de dos pue as NOR del
núcleo EXT, una de 32 en adas (
MUX
1
_EXT
) y una de 6 en adas
(MUX2_EXT).
IN
1
_EXT
con una ecuencia de
2.5 MHz
, ambas con un DTC de 50 %.
Las salidas
MUX
1
_EXT
y
MUX
2
_EXT
mues an un compo amien o
co ec o.
4.3.4. Tes de nanopipelines.
Pa a la comp obación uncional de los nanopipelines incluidos en el
ci cui o in eg ado se ha di idido el es en dos pa es. Una pa a los nanopi-
pelines de los núcleos DIR y EXT a bajas ecuencias, y la segunda pa a
los nanopipelines del núcleo INT a al as ecuencias.
Pa a el p ime o se han empleado dos gene ado es se señal, uno pa a
gene a la señal de eloj de dos ases y el segundo pa a gene a la señal
de en ada. Pa a gene a la señal de eloj a es ases se ha empleado el
gene ado de pa ones y pa a la cap u a de esul ados, el osciloscopio y el
analizado lógico.
Se ha comp obado el uncionamien o co ec o de odos los nanopipelines
de los núcleos DIR y EXT. Los esul ados que se mues an a con inuación
co esponden a un nanopipeline de cua o pue as DOE de uncionalidad
130 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
1
2
CLK1_ANLG [V]
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
1
2
CLK2_ANLG [V]
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
1
2
IN1_EXT [V]
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX2_EXT [V]
(a) DTC 20 %
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
1
2
CLK1_ANLG [V]
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
1
2
CLK2_ANLG [V]
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
1
2
IN1_EXT [V]
0 50 100 150 200 250 300 350
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX2_EXT [V]
(b) DTC 90 %
Figu a 4.23: Fo mas de onda expe imen ales de un nanopipeline con pue as
DOE-NOR de 32 en adas del núcleo EXT con un esquema de eloj de dos
ases.
4.3. Resul ados ob enidos. 131
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
1
2
CLK1_ANLG [V]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
1
2
IN1_EXT [V]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX2_EXT [V]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX3_EXT [V]
Figu a 4.24: Fo mas de onda expe imen ales de dos nanopipelines del núcleo
EXT, uno con pue as DOE-NOR de 6 en adas a dos ases (
MUX
2
_EXT
)
y o o con pue as DOE-NOR de 16 en adas a es ases (
MUX
3
_EXT
).
NOR de 32 en adas en una con igu ación de dos ases del núcleo EXT. Es e
nanopipeline incluye las pue as con el an-in más al o del ci cui o in eg ado.
Dos conjun os de o mas de onda cap u adas se mues an en la Figu a 4.23.
La ecuencia de las dos ases de eloj (
CLK
1
_ANLG
y
CLK
2
_ANLG
)
es de
50 MHz
con un DTC del 50 %. En la Figu a 4.23(a), la señal de en ada
(
IN
1
_EXT
) es de
6.25 MHz
con un DTC de 20% y en la Figu a 4.23(b)
con un DTC del 90 %. La salida del nanopipeline (
MUX
2
_EXT
) mues a
un uncionamien o co ec o. La secuencia de en ada aplicada se ob iene en
la salida con una de e minada la encia como co esponde a un nanopipeline
con un núme o pa de pue as in e so as.
La Figu a 4.24 cap u a las o mas de onda de las salidas
MUX
2
_EXT
y
MUX
3
_EXT
, de los mul iplexo es MUX2 y MUX3 del núcleo EXT, que
co esponden a ci cui os que ope an a dos y es ases de eloj con igu ados
con una ecuencia de
20 MHz
y una señal de en ada ex e na
IN
1
_EXT
de
2.5 MHz
, ambas con un DTC del 50 %. Po simplicidad, en la igu a solo
se mues a la ase 1 de la señal de eloj de dos ases (CLK1_ANLG).
En la segunda pa e del es se ha comp obado la uncionalidad de los
nanopipelines incluidas en el núcleo INT. Se ha comp obado el unciona-

132 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tiempo [ns]
-1
0
1
2
3
4
CLK1_INT_2F [V]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tiempo [ns]
-1
0
1
2
3
4
MUX1_INT [V]
Figu a 4.25: Fo mas de onda de un nanopipeline de 10 pue as DOE-NOR
de 16 en adas a dos ases.
mien o co ec o empleando odas las ecuencias con igu ables de dos ases
y es ases, ob eniendo los esul ados espe ados en odos ci cui os. Es o
se ha log ado diseñando dos es de comp obación uncional. El p ime o
consis e en aplica a la en ada de los nanopipelines una en ada cons an e
con el gene ado de pa ones. El segundo emplea las en adas in e nas del
núcleo.
A con inuación se mues an algunos de los esul ados ob enidos. En
p ime luga se ilus a el compo amien o de un nanopipeline de dos ases
con una en ada cons an e. Se han con igu ado las señales de con ol pa a
abaja a la ecuencia más al a posible (
TIPO_OSC
= 0,
FREQ
1 = 1
Y
FREQ
2 = 1) que co esponde a un eloj in e no de dos ases en o no a
910 MHz
de acue do con la Tabla 4.3. La señal de en ada
IN
1
_INT
es
cons an e pa a un alo de uno lógico. Po lo an o, la salida que co es-
ponde al nanopipeline es una señal de la misma ecuencia que el eloj. La
Figu a 4.25 mues a las o mas de onda expe imen ales de la ase uno del
eloj in e no de dos ases (
CLK
1
_INT_
2
F
) y la en ada C del MUX1
que co esponde a la salida de un nanopipeline de 10 pue as DOE de
uncionalidad NOR de 16 en adas. Se obse a el compo amien o espe ado,
po lo que es á ope ando co ec amen e po encima de los 900 MHz.
Pa a el segundo es (con en ada in e na), se han con igu ado las
señales de con ol pa a ob ene la ecuencia más al a posible (
FREQ
1 = 0
4.3. Resul ados ob enidos. 133
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tiempo [ns]
0
1
2
3
4
CLK1_INT_3F [V]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tiempo [ns]
-1
0
1
2
3
4
MUX2_INT [V]
Figu a 4.26: Fo mas de onda de un nanopipeline de 10 pue as DOE-NOR
de 16 en adas con es ases de eloj.
Y
FREQ
2 = 0) en el gene ado de señal in e no de es ases (
1.39 GHz
).
La Figu a 4.26 mues a las o mas de onda expe imen ales de la ase uno
del eloj in e no de es ases (
CLK
1
_INT_
3
F
) y la en ada C del MUX2
que co esponde a la salida de un nanopipeline de 10 pue as DOE de
uncionalidad NOR de 16 en adas.
Se ha medido una ecuencia pa a la señal de eloj de
87 MHz
. Teniendo
en cuen a la di isión p e ia en 16 pa es, se puede deci que se ha e i icado
el uncionamien o co ec o del nanopipeline a una ecuencia in e na ap oxi-
mada de
1.39 GHz
. Es a ecuencia se di ide po el gene ado de en ada
in e no de es ases, po lo que se espe a que la salida del nanopipeline
conmu e a la mi ad de la ecuencia de la señal de eloj, gene ando una
salida con una ecuencia ex e na de 44 MHz.
4.3.5. Tes de sumado es.
Los bloques de gene ación de aca eos (CM) de los sumado es KS
ab icados, han uncionado co ec amen e. Hemos comp obado que en los
es bloques CM incluidos en el ci cui o in eg ado se ob iene la salida
co ec a pa a las 16 combinaciones de en ada que se le pueden aplica .
Además se han ealizado es con en ada a iable. Las Figu as 4.27 y 4.28
mues an esul ados pa a el CM de dos ases y el de es ases en el núcleo
134 Capí ulo 4. Validación expe imen al.
0 50 100 150
Tiempo [ns]
0
2
4
CLK1_INT_2F [V]
0 50 100 150
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX3_INT [V]
0 50 100 150
Tiempo [ns]
0
2
4
MUX4_INT [V]
Figu a 4.27: Fo mas de onda expe imen ales del sumado KS con dos ases
de eloj.
INT. Las o mas de onda mos adas en la Figu a 4.27 co esponden a un
es con la señal de eloj más al a disponible (po encima de
900 MHz
de
acue do a la Tabla 4.4) y una señal de en ada cons an e pa a la que los
aca eos medidos son “1”. Con las en adas de selección apun ando a las
en adas B de los mul iplexo es, ob enemos las señales de la ase uno de la
señal de eloj (
CLK_INT _
2
F
), el aca eo C3 (
MUX
3
_INT
) y el aca eo
C4 (
MUX
4
_INT
). Se comp ueba que las salidas medidas conmu an a la
misma ecuencia de la señal de eloj (
55 MHz
). Es o se co esponde con el
compo amien o espe ado pa a salidas que son “1”.
La Figu a 4.28 mues a o mas de ondas co espondien es al es del
CM de es ases. También se ha ealizado es e es con la señal in e na de
eloj más al a (
1.39 GHz
de acue do con la Tabla 4.4). El pa ón de es
aplicado se ha gene ado con el gene ado de pa ones de es . Al e na una
combinación de en ada pa a las que los aca eos que se mues a en las
Figu as alen “1” y o a pa a la que alen ce o. Se aplican a una ecuencia
ap óximada de (
5 MHz
), muy len a en compa ación con la ecuencia in e na
del eloj e incluso con la ecuencia del eloj enlen ecido a la salida del
chip (
87 MHz
). Se obse a el compo amien o espe ado. Cuando la salida
del co espondien e aca eo es “0”, la salida as el di iso de ecuencia es
4.3. Resul ados ob enidos. 135
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Tiempo [ns]
-2
-1
0
1
2
3
4
MUX7_INT [V]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Tiempo [ns]
-2
-1
0
1
2
3
4
5
MUX8_INT [V]
Figu a 4.28: Fo mas de onda expe imen ales del sumado KS con es ases
de eloj.
cons an e. Puede es a en bajo o en al o po que no cuen a pulsos. Cuando
la salida del CM es un “1”, en la salida del chip se ob iene una señal de la
misma ecuencia del eloj. Po lo an o as el di iso , ob enemos señales de
la misma ecuencia en el eloj ex e no y en la salida que se es á midiendo.
Vemos como es os dos compo amien os se al e nan co ec amen e.
No se han ob enido esul ados sa is ac o ios del sumado CLA. Nin-
guna de los in eg ados en el chip ha uncionado co ec amen e. Hay que
pun ualiza que ya sabíamos que las salidas suma e a muy p obable que
no uncionasen. La implemen ación ealizada conec a dos pue as DOE
in e calando un in e so es á ico. Es o es, la segunda de las mencionadas
pue as ecibe alo es lógicos al os du an e la p eca ga de la e apa an e io .
A pesa de a a se de una con igu ación no pe mi ida, po simulación se
obse ó uncionamien o co ec o pa a de e minadas ecuencias de eloj. No
obs an e el diseño e a poco obus o y ya p e eíamos una al a p obabilidad
de que no uncionase. Po o a pa e, el bloque CLA no es aba diseñado
pa a ope a a las ecuencias más al as de los elojes in e nos. El CLA
mues a un pa ón complejo de in e conexiones debido a que las pue as de
es a a qui ec u a de sumado ienen, en gene al, un anou al o. Se esol ió
con un esquema de in e conexiones que esul ó en líneas muy la gas con