龙芯3号多核处理器的低功耗测试技术

龙芯3号是一款低功耗处理器芯片,要求测试时保持较低功耗.为了解决低功耗测试的问题,对龙芯3号测试功耗进行了细致分析,提出一套考虑测试时间和测试开销的低功耗测试方案,并对整套方案中的各种技术在功耗、面积、时延以及测试时间等方面进行了详细分析.针对龙芯3号测试功耗主要消耗在逻辑电路的翻转和测试时钟网络上的特点,采用IP级测试分割技术减少逻辑电路和时钟网络的翻转;采用门控时钟对局部扫描触发器进行控制减少单核扫描捕获期间的逻辑翻转,并采用了阻隔门技术、不关心位(X位)填充技术减少单核扫描移位的逻辑翻转.实验结果表明,龙芯3号4核处理器达到了预定小于15W的测试平均功耗需求,单个IP核最大平均功耗降低为6W左右,约是正常功能平均功耗的40%,有效地保证了芯片的测试质量.     

SoC设计中的时钟低功耗技术

针对时钟网络在SoC芯片中的作用和时钟网络自身的特点,研究并实现3种时钟低功耗技术,包括在系统级采用动态时钟管理技术动态地关断和配置芯片内各模块的时钟,在逻辑综合时基于功耗优化工具Power Compiler插入门控时钟单元,在时钟树综合时以时钟树规模为目标进行低功耗时钟树综合。在音视频解码芯片的设计中采用以上3种技术,结果表明其功耗优化效果明显。     

自动门控时钟技术在聚芯SoC1000C中的应用

针对SoC中时钟网络的自动门控时钟技术进行应用方法的研究,主要以聚芯SoC1000C的CPU核为基础,通过对其内部时序逻辑特点的分析,提出以精确可靠的时序分析为基础的时钟网络设计方案,从而在不增加物理设计复杂度的情况下大大降低SoC的时钟功耗,同时达到改善时序性能和芯片面积的效果。     

基于解耦De-skew PLL的处理器低功耗同步间歇时钟系统设计

随着高性能处理器集成度、面积以及工作频率的不断增加,时钟动态功耗呈指数级增加,时钟分布不均导致跨时钟域的同步开销显著增大,这些问题逐渐成为制约处理器能效提升的瓶颈.通常处理器核的功耗占多核处理器整体功耗超过70%,而时钟功耗是处理器核功耗的主要组成部分.数字方式的系统动态调频DFS(Dynamic Frequency Scaling)降频的方法需要触发时钟中断例外重新配置时钟生成模块锁相环的相关寄存器,由此带来系统超过毫秒级等待时间开销;而模拟方式连续自适应调节AFS (Adaptive Frequency Scaling)频率变化过程中存在频率过冲响应会增加物理时序设计压力.与此同时功耗的调节降低要以高性能为前提.片上时钟分布长延时随PVT(Process Voltage Temperature)变化产生的不确定时钟相位偏差,为此物理设计增加时序冗余补偿会直接影响到处理器性能.本文提出了新的基于解耦去偏斜锁相环De-skew PLL(De-skew Phase Locked Loop)的同步间歇时钟系统,采用12 nm CMOS工艺实现了去偏斜锁相环的设计,并对整个系统进行了时序性能...     

可重配置处理器的体系结构级功耗模型与分析

按照可重配置处理器的体系结构建立并实现功耗模型;模型对处理器的电路级特性进行抽象,基于体系结构级属性和工艺参数进行静态峰值功耗估算,基于性能模拟器进行动态功耗统计,并实现三种条件时钟下的门控技术;可重配置处理器与超标量通用微处理器相比,在性能方面获得的平均加速比为3.59,而在功耗方面的平均增长率仅为1.48;通过实验还说明采用简单的CC1门控技术能有效地降低可重配置系统的功耗和硬件复杂度;该模型为可重配置处理器低功耗设计和编译器级低功耗优化研究奠定了基础。     

基于加权数据通路的RTL级低功耗SoC设计

低功耗是SoC设计与评估的重要技术指标之一,现利用加权数据通路,提出一种新的低功耗SoC设计方法。该算法首先利用程序切片技术提取RTL级数据通路,然后采用贝叶斯网络训练获得各数据通路的权重(使用频率),以形成加权数据通路,最后根据各路径权值控制门控信号的产生,对权值小的通路优先插入门控逻辑或合并门控逻辑,从而有效降低系统功耗。实验结果表明,该算法与已有ODC低功耗算法相比功耗平均下降8. 38%,面积开销平均减少6.8%,同时数据通路的简化也使得算法计算负荷大幅下降。     

深亚微米CMOS电路漏电流快速模拟器

随着工艺的发展 ,功耗成为大规模集成电路设计领域中一个关键性问题 降低电源电压是减少电路动态功耗的一种十分有效的方法 ,但为了保证系统性能 ,必须相应地降低电路器件的阈值电压 ,而这样又将导致静态功耗呈指数形式增长 ,进入深亚微米工艺后 ,漏电功耗已经能和动态功耗相抗衡 ,因此 ,漏电功耗快速模拟器和低功耗低漏电技术一样变得十分紧迫 诸如HSPICE的精确模拟器可以准确估计漏电功耗 ,但仅仅适合于小规模电路 首先证实了CMOS晶体管和基本逻辑门都存在堆栈效应 ,然后提出了快速模拟器的漏电模型 ,最后通过对ISCAS85& 89基准电路的实验 ,说明了在精度许可 (误差不超过 3% )的前提下 ,模拟器获得了成百倍的加速 ,同时也解决了精确模拟器的内存爆炸问题     

高性能主从模式动态可重构的SPI IP核设计

为满足系统芯片(SoC)中的串行外设接口(SPI)灵活配置的要求,设计了一种既可作为主机又可作为从机、支持4种数据传输模式、允许7种时钟传输速率的SPI IP核。该SPI IP核通过状态机来控制数据传输模块端口的方向,以此来解决主从模式下数据传输方向相反的问题,通过对移位寄存器的复用减少了逻辑资源消耗,利用时钟分频模块来实现不同传输速率下的数据交换,设计了配置数据传输模式的时钟极性和时钟相位等端口,方便了对SPI IP核的操作。结果表明:该SPI IP核符合SPI总线协议,在0.13μm工艺下消耗1 062个逻辑门,在系统工作频率80 MHz下的功耗约为0.395 7 mW。     

嵌入式ATA主机控制器IP核设计

针对嵌入式应用需求,设计了一个ATA主机控制器的IP核,给出了其体系结构和核心模块的设计;通过数据宽度转换避免因读写控制信号延迟造成的数据溢出,以两级串行结构解决了写命令中数据建立时间紧张问题,采用门控时钟机制降低了设计功耗;仿真实验和后端验证结果表明,主机控制器IP核能够稳定地工作在所提供的嵌入式应用环境中,接口数据传输速率可达到33.1 MBps;该IP核严格遵循ATA/ATAPI-7协议,面积小,功耗低.具有作为片上资源或者处理器外围电路集成到嵌入式系统应用中的灵活性.     

基于嵌入式CPU的加解密子系统

针对信息安全等级和应用场合变化时IP级复用的片上系统(SoC)集成验证效率低的问题,提出一种基于嵌入式CPU的加解密子系统。子系统包括RSA,DES,AES等多种加解密模块,通过硬件上的参数配置,构造满足不同信息安全应用和等级的子系统;采用低功耗高性能的嵌入式CPU,作为SoC中主CPU的协处理器,控制各加解密模块的工作,可减少对主CPU的访问,以降低功耗。将经过验证的加解密子系统作为整体集成到SoC中,实现子系统复用,可减少SoC设计和集成工作量,降低SoC验证难度;利用门控时钟技术,根据各加解密模块的工作状态管理时钟,从而降低加解密子系统的功耗。采用CKSoC设计集成方法,在SoC集成工具平台上可快速集成不同配置下的基于嵌入式CPU的加解密子系统。实验结果表明,构造子系统后的SoC设计和验证工作量明显减少,提高了工作效率。     

A novel clock generation algorithm for system-on-chip based on least common multiple

Due to increase in the number of Intellectual Property (IP) cores, clock generation in current day System-on-Chips (SoCs) is facing a crisis. The conventional method of using a dedicated Phase Locked Loop (PLL) to generate the clock for each IP core is becoming inefficient in terms of power and cost. We propose an algorithm based on Least Common Multiple (LCM) to minimize the number of PLLs required to generate the clocks for the IP cores in a SoC. This is done by finding an Optimum Operating Frequency (OOF) for each IP core within 10% below the maximum operating frequency of the core. The OOF is chosen such that the LCM of the OOF of all the IP cores is minimized. Simulated annealing is used to find the LCM. This LCM is the crucial high frequency from which maximum number of clocks can be derived by clock dividers.     

A Predictive Shutdown Technique for GPU Shader Processors

As technology continues to shrink, reducing leakage is critical to achieve energy efficiency. Previous works on low-power GPU (graphics processing unit) focus on techniques for dynamic power reduction, such as DVFS (Dynamic Voltage/Frequency Scaling) and clock gating. In this paper, we explore the potential of adopting architecture-level power gating techniques for leakage reduction on GPU. In particular, we focus on the most power-hungry components, shader processors. We observe that, due to different scene complexity, the required shader resources to satisfy the target frame rate actually vary across frames. Therefore, we propose the predictive shader shutdown technique to exploit workload variation across frames for leakage reduction on shader processors. The experimental results show that predictive shader shutdown achieves up to 46% leakage reduction on shader processors with negligible performance degradation.     

A Robust and Power-Effcient SoC Implementation in 65nm

Godson2H is a complex SoC (System-on-Chip) of Godson series, which is a 117mm2, 152 million transistors chip fabricated in 65nm CMOS LP/GP process technology. It integrates a 1GHz processor core and abundant high or low speed peripheral IO interfaces. To overcome on-chip-variation problems in deep submicron designs, many methods are adopted in clock tree, and PVT detectors are integrated for debug. To meet the low power constraints in different applications, most of state-of-the-art low power methods are used carefully, such as dynamic voltage and frequency scaling, power gating and aggressive multi-voltage design.     

面向工程的SoC技术及其挑战

系统集成芯片(SoC)是21世纪集成电路的发展方向，它以IP核复用技术、超深亚微米工艺技术和软硬件协同设计技术为支撑，是系统集成和微电子设计领域的一场革命。该文阐述了SoC的设计与验证、IP的开发与复用以及工程化SoC所面临的超深亚微米下的物理综合、软硬件协同设计、低功耗设计、可测性设计和可重用技术等方面的挑战。     

Reasoning about synchronization in GALS systems

Correct design of interface circuits is crucial for the development of System-on-Chips (SoC) using off-the-shelf IP cores. For correct operation, an interface circuit must meet strict synchronization timing constraints, and also respect sequencing constraints between events dictated by interfacing protocols and rational clock relations. In this paper, we propose a technique for automatically analyzing the interaction between independently specified synchronization constraints and sequencing constraints between events. We show how this analysis can be used to derive delay constraints for correct operation of interface circuits in a GALS system. Our methodology allows an SoC designer to mix and match different interfacing protocols, rational clock relations and synchronization constraints for communication between a pair of modules, and automatically explore their implications on correct interface circuit design.     

利用新型的电源屏蔽实现方法降低测试功耗

为了削减芯片在测试过程中由于测试向量移入/移出所导致的静态功耗和动态功耗,提出一种电源屏蔽实现方法.在后端设计布局阶段,首先以时钟门控单元为参考点将触发器聚类摆放,以实现时序逻辑与组合逻辑在物理上的隔离;然后引入屏蔽单元对电源网络进行修改,最终解决扫描触发器与组合逻辑异构供电的难题.针对龙芯3号浮点乘积模块的实验结果表明,采用该方法可以节省45%的测试功耗,面积稍有增加,而对性能和测试覆盖率几乎没有影响,并且可以容易地嵌入目前的主流设计方法中.     

LEON3处理器动态图像边缘检测的SoC设计

针对LEON3开源软核处理器具有高性能,高可靠性等特征,构建了一个基于LEON3的动态图像边缘检测SoC。文中采用局部熵边缘检测算法,将图像采集,边缘检测和图像显示三个部分封装设计为IP核,通过APB总线嵌入到LEON3的经典SoC架构中。与利用微控制器或DSP实现的动态图像边缘检测系统相比,基于LEON3的动态图像边缘检测SoC能够充分发挥硬件设计的高速性和灵活性,并且系统具有很好的可移植性与可配置性,占用资源少,速度快,具有良好的应用前景。