САМОСИНХРОННЫЙ БАЗИС РЕАЛИЗАЦИИ РАДИАЦИОННОСТОЙКИХ МИКРОСХЕМ

САМОСИНХРОННЫЙ БАЗИС
РЕАЛИЗАЦИИ
РАДИАЦИОННОСТОЙКИХ
МИКРОСХЕМ
Бобков С.Г., Степченков Ю.А., Плеханов Л.П.,
Дьяченко Ю.Г., Сурков А.В.
«ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ – 2013»
Содержание
•
•
•
•
•
•
•
•
Нечувствительные к задержкам (НЗ)
схемы – альтернатива синхронным
схемам
История развития НЗ схем
Преимущества НЗ схем
НЗ и квази-НЗ схемы
Опыт разработки НЗ схем
Методологии проектирования НЗ схем
Сравнительный анализ НЗ и NCL схем
Заключение
Нечувствительные к задержкам
(НЗ) схемы – альтернатива
синхронным схемам
•
•
•
Проблемы синхронных схем:
 высокое энергопотребление,
 низкая надежность,
 узкий диапазон работоспособности
Причины:
 «дерево» синхросигналов,
 расчет на «наихудший случай»,
НЗ схемы:
 нет синхросигналов,
 работа в соответствии с реальными
условиями
История развития НЗ схем
1959 год – Маллер Д. (Muller D.):
теория асинхронных схем
1976 год – Варшавский В.И.:
теория самосинхронных схем
1996 год – Фант К.М. (Fant K.M.):
NULL convention logic
Преимущества НЗ схем
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Устойчивая работа
Безопасная работа
Максимально возможный диапазон
работоспособности
Максимально возможное быстродействие
Нет расходов на реализацию тактового
«дерева»
Уменьшение пиковых токов потребления
Сокращение уровня электромагнитных
помех
Сокращение энергопотребления
Повышение радиационной стойкости
НЗ и квази-НЗ схемы
Схемы, нечувствительные к
задержкам в элементах и проводах
(delay insensitive)
Схемы, нечувствительные к
задержкам в элементах
Эквихронная зона
Квази-НЗ схемы со спекулятивной
индикацией
Опыт разработки НЗ схем
Ядро 4-разрядного микроконтроллера
(аналог PIC18 фирмы Microchip, США)
• КМОП 1,6 мкм, однослойная металлизация
• В сравнении с синхронным аналогом:
диапазон работоспособности в 16 раз шире,
сложность реализации в 1,43 раза больше,
быстродействие в 3,25 раз выше (на наборе команд)
Опыт разработки НЗ схем
8-разрядный отказоустойчивый
последовательно-параллельный порт
КМОП 1,6 мкм, однослойная металлизация
• Дублирование в НЗ варианте, троирование
в синхронном аналоге
• В сравнении с синхронным аналогом:
диапазон работоспособности в 16 раз
шире,
сложность реализации на 34% меньше,
быстродействие в 2,5 раз выше
 энергетической эффективности в 1,8
раз лучше
Опыт разработки НЗ схем
64-разрядный сопроцессор – устройство
деления и извлечения квадратного корня
• КМОП 180 – 65 нм, шестислойная металлизация
• Спекулятивная индикация
• В сравнении с синхронными аналогами:
28
19
8
300
0,40
60
60
0,30
Производительность, Зона работоспособности
S = T0 *  U
MOPS
Квази-НЗ;
0,35
Метод Ньютона
(синхронный)
Площадь на кристалле,
ёмм2
Метод SRT
(синхронный)
Методологии проектирования НЗ
•
•
Большая часть зарубежных
самосинхронных схем – асинхронные
схемы с элементами задержки
Действительно НЗ схемы:
 NCL ->
 <- НЗ
Сравнительный анализ НЗ и NCL
Кодирование сигналов
•
•
NCL схемы:
 парафазные со спейсером,
 спейсер – нулевой
рабочая
рабочая
спейсер
фаза
НЗ:
фаза
 парафазные со спейсером, бифазные,
унарные, мультифазные
 спейсер – нулевой или единичный
Сравнительный анализ НЗ и NCL
•
Схемотехнический базис
NCL схемы:
27 фундаментальных пороговых элементов
и производные от них элементы
•
НЗВ:
библиотека из 260 элементов как дополнение
библиотеки стандартных элементов САПР
(«Ковчег» МИЭТ, «Virtuoso» Cadence)
Сравнительный анализ НЗ и NCL
•
Принципы построения триггеров
NCL схемы:
С-элементы с
парафазными
входами
•
НЗВ:
бистабильные ячейки с
индикаторными элементами
и парафазными или
бифазными входами
и выходами
Сравнительный анализНЗ и NCL
Аппаратурные затраты
Элемент
NCL
НЗ
NCL / НЗ
«Неравнозначность»
76
40
1.9
Одноразрядный
сумматор
80
40
2.0
Триггер со сбросом
32
24
1.33
4-разрядный счетчик
602
134
4.49
Аппаратный
умножитель 4х4
1766
1558
1.13
Сравнительный анализ НЗ и NCL
Преимущества NCL схем
•
•
Однотипная упрощенная индикация
окончания переключений
Более простая формализация синтеза
Преимущества НЗ схем
•
•
•
Меньшие аппаратурные затраты
Большее быстродействие
Меньшее энергопотребление
Заключение
•
•
•
НЗ схемы лучше синхронных
аналогов по быстродействию,
энергопотребоению, зоне
работоспособности, надежности
НЗ схемы лучше NCL аналогов по
аппаратурным затратам,
быстродействию,
энергопотреблению
НЗ схемы – перспективный базис
для реализации высоконадежных
малопотребляющих
радиационностойких микросхем
Спасибо
за
внимание!
Контакты
•
•
•
•
•
ИПИ РАН:
Директор: Академик РАН Соколов И. А.
Адрес: Институт проблем информатики РАН,
ул.
Вавилова, д. 44, корпус 2, 117900
Москва,
Россия
Телефон: 7 (495) 137 34 94
НИИСИ РАН:
Директор: Академик РАН Бетелин В.Б.
Адрес: Научно-исследовательский институт
системных исследований РАН, Нахимовский
просп., 36, к.1, 117218, Москва,
телефон: (499) 124-97-44
Докладчик: Плеханов Л.П., +7 916 277 48 34
LPlekhanov@ipiran.ru