Desarrollo y evaluación de arquitecturas lógicas basadas en Nanopipeline.

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