Ю.В. КАТУНИН Научный руководитель – В.Я. СТЕНИН, д.т.н., профессор

Ю.В. КАТУНИН
Научный руководитель – В.Я. СТЕНИН, д.т.н., профессор
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ВЛИЯНИЕ РАСФАЗИРОВКИ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ
ДВУХФАЗНЫХ КМОП ИНВЕРТОРОВ С ПРОЕКТНОЙ
НОРМОЙ 28 нм НА ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ
На примере двухфазных инверторов, спроектированных по объемной
КМОП-технологии с проектной нормой 28 нм, произведена оценка влияния расфазировки входных сигналов двухфазных элементов на их потребляемую мощность. Обоснована необходимость обеспечения минимальной разницы в значениях собственной емкости дифференциальных узлов при проектировании топологии
элементов двухфазной логики.
Блокирование помехи, действующей на один из входов двухфазного
элемента с перекрестными связями конверторов, происходит за счет перехода одного из конверторов элемента в третье состояние на время действия помехи [1]. В другом же конверторе в это время через открытые
PМОП и NМОП транзисторы протекает сквозной ток. Расфазировка ΔtРАС
входных сигналов двухфазного элемента, обусловленная технологическим разбросом и несимметричностью шин металлизации, воспринимается как помеха длительностью ΔtРАС, а возникающий сквозной ток приводит к росту потребляемой мощности элемента.
Статистическое моделирование методом Монте-Карло показало, что
расфазировка выходных сигналов вследствие систематических вариаций
параметров транзисторов двухфазных элементов не превышает 2 пс.
Большее влияние оказывает различие в собственной емкости дифференциальных узлов из-за несимметричности шин металлизации: в этом случае расфазировка сигналов может достигать нескольких единиц пикосекунд для соединений внутри элементарного топологического блока и нескольких десятков пикосекунд в межблочных соединениях.
Характеристики потребляемой мощности логических элементов моделировались в САПР Cadence при номинальном напряжении питания 0.9 В,
температуре +25 ˚C, длине канала транзисторов 35 нм и ширине NМОП и
PМОП транзисторов 100 нм. Определялись средние значения <P2Ф> потребляемой мощности двухфазного инвертора при подаче на его дифференциальные входы прямоугольных импульсов с частотой f = 1.5 ГГц,
длительностью фронтов tФ (в пределах 0.1–0.9 размаха) и задержкой ΔtРАС
KC
20
15
<P2Ф>/<P1Ф>, отн. ед.
<P2Ф>/<P1Ф>, отн. ед.
одного импульса относительно другого. Полученные значения нормированы на средние значения <P1Ф> потребляемой мощности однофазного
инвертора, которые не зависят от расфазировки ΔtРАС, и приведены на
рис. 1а – для различной нагрузки инверторов, состоящей из KC таких же
элементов, и рис. 1б – для различных фронтов входных сигналов.
7
30
f = 1.5 ГГц tФ = 10 пс
f = 1.5 ГГц KC = 5
25
6
0
1
3
5
10
5
0
tФ
5
4
10 пс
30 пс
50 пс
3
2
1
0
10
20 30 40
ΔtРАС, пс
50
0
10
20 30
ΔtРАС, пс
40
50
а)
б)
Рис. 1. Средние значения <P2Ф> потребляемой мощности двухфазного инвертора,
нормированные на среднее значение <P1Ф> потребляемой мощности однофазного
инвертора, в зависимости от значений ΔtРАС расфазировки входных сигналов
двухфазного инвертора: а) при различных коэффициентах KС влияния емкостной
нагрузки; б) при различных длительностях tФ фронтов входных сигналов.
Из анализа зависимостей на рис. 1 и сравнения с однофазным аналогом следует, что значения потребляемой мощности двухфазного инвертора и его однофазного аналога различаются в 2 раза лишь в пределах некоторого порогового значения расфазировки, которое зависит от емкости
нагрузки элемента и длительности фронтов входных сигналов.
Анализ полученных зависимостей подтверждает необходимость оптимизации топологии элементов двухфазной логики с целью сбалансирования значений собственной емкости дифференциальных узлов.
Работа проводилась в рамках гранта РФФИ № 12-07-31040 «Разработка методов и средств повышения сбоеустойчивости элементов суб-100 нм КМОП СБИС
СОЗУ».
Список литературы
1.
Стенин В.Я., Катунин Ю.В. Моделирование чувствительности КМОП 65 нм элементов
двухфазной логики к эффектам локального воздействия ядерных частиц // Микроэлектроника. 2012. Т.41. – №4. C. 262–274.