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微電子所在低功耗集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得新進(jìn)展

稿件來(lái)源：感知中心游恒責(zé)任編輯：ICAC 發(fā)布時(shí)間：2021-06-23

　　近期，微電子所感知中心低功耗智能技術(shù)與系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)在低功耗集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得新進(jìn)展，設(shè)計(jì)了兼容近/亞閾值工作區(qū)的基礎(chǔ)電路單元，可以廣泛應(yīng)用于低功耗智能計(jì)算芯片。

　　功耗已經(jīng)成為制約集成電路發(fā)展的重要瓶頸。近/亞閾值技術(shù)通過(guò)將芯片工作電壓降低到晶體管的閾值電壓附近或者閾值電壓以下，可以大幅降低數(shù)字系統(tǒng)的功耗。近/亞閾值基礎(chǔ)數(shù)字電路單元是低功耗智能計(jì)算芯片的基石，也是本研究重點(diǎn)解決的挑戰(zhàn)。

　　本研究首次提出了領(lǐng)先的零冗余動(dòng)態(tài)功耗觸發(fā)器、pW級(jí)寬范圍電平轉(zhuǎn)換器、以及nW級(jí)高精度上電復(fù)位電路，可廣泛應(yīng)用于低功耗的智能計(jì)算芯片。針對(duì)傳統(tǒng)主從觸發(fā)器由于冗余操作造成的功耗浪費(fèi)問(wèn)題，提出了一種兼容近/亞閾值設(shè)計(jì)的低功耗保持 TSPC觸發(fā)器。該觸發(fā)器采用輸入感知預(yù)充策略，輔以浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)分析和晶體管級(jí)優(yōu)化，有效降低了觸發(fā)器的功耗。流片結(jié)果表明，該觸發(fā)器功耗相比于傳統(tǒng)主從觸發(fā)器降低了73%。針對(duì)傳統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍窄、漏電大、不適用于近/亞閾值設(shè)計(jì)的問(wèn)題，提出了一種低延遲低漏電電平轉(zhuǎn)換器。該電平轉(zhuǎn)換器基于電流鏡結(jié)構(gòu)，采用混合閾值電流鏡技術(shù)有效解決了切斷直流通路后的節(jié)點(diǎn)壓降問(wèn)題，同時(shí)采用超截?cái)嗉夹g(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了電平轉(zhuǎn)換器的漏電。流片結(jié)果表明，該電平轉(zhuǎn)換器支持0.12V-1.2V的電壓轉(zhuǎn)換，漏電低至73.95pW。在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電和掉電時(shí)還需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)將系統(tǒng)中的存儲(chǔ)單元設(shè)置為一個(gè)確定的狀態(tài)。為了保證近/亞閾值下數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，需要觸發(fā)閾值低、閾值偏差小、靜態(tài)電流小的上電復(fù)位電路。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究提出了一種低功耗10晶體管上電復(fù)位電路。該上電復(fù)位電路基于電流參考和電流比較器結(jié)構(gòu)，僅用 10個(gè)晶體管即實(shí)現(xiàn)了高精度低功耗的上電復(fù)位電路。仿真結(jié)果表明，該上電復(fù)位電路在不同工藝角和溫度條件下，觸發(fā)電壓偏差僅為34mV，在0.5V的電源電壓下靜態(tài)功耗低至36nW。

　　基于以上研究的成果近期先后發(fā)表于《IEEE超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)匯刊》期刊（IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, DOI: 10.1109/TVLSI.2021.3061921）、《IEEE電路與系統(tǒng)匯刊Ⅱ》期刊（IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, DOI: 10.1109/TCSII.2020.2980681）以及《2021 IEEE 國(guó)際電路與系統(tǒng)研討會(huì)》會(huì)議（2021 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), DOI: 10.1109/ISCAS51556.2021.9401482）。微電子所博士研究生游恒為上述論文第一作者，微電子所喬樹(shù)山研究員為上述論文的通信作者。