【摘 要】
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近年来,随着集成电路行业飞速发展,半导体工艺不断进步,晶体管的工艺尺寸不断缩小,芯片的面积不断缩小,集成度不断提高,性能不断提升,系统的工作频率越来越高,这导致了芯片的功耗越来越大。功耗的增大不仅使消费类电子设备的续航能力变差,而且会导致芯片局部功率密度越来越大,高速工作的芯片局部温度升高,芯片的散热和封装成本提升,更引起了芯片的失效时间缩短、速度变慢、漏电增大等问题。因此,功耗带来的设计挑战越来
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近年来,随着集成电路行业飞速发展,半导体工艺不断进步,晶体管的工艺尺寸不断缩小,芯片的面积不断缩小,集成度不断提高,性能不断提升,系统的工作频率越来越高,这导致了芯片的功耗越来越大。功耗的增大不仅使消费类电子设备的续航能力变差,而且会导致芯片局部功率密度越来越大,高速工作的芯片局部温度升高,芯片的散热和封装成本提升,更引起了芯片的失效时间缩短、速度变慢、漏电增大等问题。因此,功耗带来的设计挑战越来越大,低功耗设计已成为芯片设计中重要的环节。本论文研究了数字电路功耗的来源,分析了动态功耗和静态功耗的组成及其影响因素,进一步分析了各种低功耗设计方法。接着在对传统低功耗设计方法研究的基础上,论文研究了基于统一电源格式(UPF,Unified Power Format)的低功耗设计方法,介绍并分析了 UPF的概念和设计流程,研究了 UPF中各种低功耗单元的设计规则以及UPF中电源管理模块(PMU,Power Management Unit)的设计方法。最后,将基于UPF的低功耗设计方法与流程应用到AMOLED驱动芯片设计中,用到了多电压域、门控时钟、门控电源、多阈值电压等低功耗设计方法。该芯片基于UMC 40nm CMOS工艺,目标工作频率100MHz,总功耗最大不超过60mW,面积不超过260万平方微米。首先,在RTL(Register Transfer Level)设计阶段,根据芯片在不同显示模式下采用不同的时钟管理策略来降低功耗。此外,根据各个图像处理算法的工作状态手动地插入门控时钟单元来降低动态功耗。其次,规划并设计了芯片的UPF低功耗架构,根据不同的显示模式将系统划分成不同的电压域,采用了 UPF描述实现了 AMOLED驱动芯片的低功耗架构。接着对电源管理模块(PMU)进行了研究与设计,用来实现不同显示模式下电源状态的切换以及特殊低功耗标准单元的时序控制,并且用Synopsys公司的MVSIM-native和VCS工具对RTL设计与UPF设计进行联合低功耗仿真验证,在前端设计就保证UPF低功耗意图与电源管理模块设计的正确性。接下来用Design Compiler工具进行了基于UPF的低功耗逻辑综合,综合阶段采用多阈值电压设计方法来降低静态功耗,生成了包含特殊低功耗标准单元的网表,对网表进行了多电压规则查检,用Prime Time工具进行了静态时序分析,分析结果满足目标工作频率。最后用PTPX(Prime Time PX)工具对功耗结果进行了分析,本论文基于UPF的AMOLED低功耗设计在正常显示模式下总功耗为47.8mW,AOD(Always-on Display)显示模式下总功耗为23.2mW,sleep in休眠模式下总功耗为0.1369mW;而传统AMOLED设计在正常显示模式下总功耗为63.4mW,AOD(Always-on Display)显示模式下总功耗为30.7mW,sleep in休眠模式下总功耗为0.4019mW。两者相比,基于UPF的低功耗设计在三种模式下的功耗分别降低了 24.61%,24.43%,65.94%。此外还分析了基于UPF的低功耗设计对电路的时序、面积带来的影响。研究结果表明本论文基于UPF的低功耗设计方法满足该AMOLED驱动芯片设计的目标功耗、时序、面积等要求。
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