بخشی از مقاله
خلاصه
در مدارهای نانومتری امروزی قابلیت اعتماد همواره یکی از چالشهای کلیدی طراحی مدارهای مجتمع میباشد. از جمله عوامل بسیار مهم در کاهش قابلیت اعتماد مدارها میتوان به فرسودگی قطعات اشاره نمود. پردازش صوت امروزه اهمیت فراوانی یافته و در کاربردهای گوناگونی نظیر فشردهسازی، سنتز و بهبود کیفیت صدا مورد استفاده قرار میگیرد. در تمامی این کاربردها لازم است مقدار فرکانس اصلی صوت - pitch - محاسبه گردد که بصورت فریم به فریم و برای هر فریم جداگانه تعیین میگردد.
این محاسبات سنگین میتواند منجر به فرسودگی قطعات گردد. هرچند محاسبات دقیق در بسیاری کاربردها لازم بوده و نتایج دقیق مزایای فراوانی دارد اما از نظر توان و زمان هزینه زیادی دارد. لذا هرگاه استفاده از محاسبات تقریبی در کاربردی مجاز باشد میتوان از بده-بستان بین دقت و توان مصرفی/زمان اجرا بهره برد.
در این مقاله روشی برای مقابله با اثرات فرسودگی در محاسبه فرکانس اصلی صوت با محاسبات تقریبی معرفی شده است. نتایج نشان میدهد مقدار فرکانس اصلی صوت محاسبه شده توسط محاسبات تقریبی این مقاله با نتایج حاصل از شیوههای دقیق یکسان میباشد. از همین نکته استفاده شده و با انجام محاسبات تقریبی سعی در کاهش میزان فرسودگی قطعات شده است.
.1 مقدمه
پردازش صوت در کاربردهای گوناگونی نظیر فشردهسازی، سنتز و بهبود کیفیت صدا مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از مهمترین پارامترهای صوت، مقدار فرکانس اصلی - pitch - بخش صدادار صوت میباشد که بدلیل ارتعاش شبه متناوب تارهای صوتی بوجود میآید. مقدار این فرکانس از ویژگیهای سیستم صوتی هر فرد میباشد و در مردان از 50 تا 250 هرتز - دوره تناوب 4 تا 20 میلیثانیه - و در زنان از 120 تا 500 هرتز - دوره تناوب 2 تا 8 میلیثانیه - میباشد.
پردازش صوت بصورت فریم به فریم انجام میشود و برای هر فریم لازم است مقدار فرکانس اصلی صوت تعیین گردد .[10] بنابراین نیازمند محاسبات زیاد و مدارهای پرکار میباشیم که به علت فعالیت زیاد در معرض فرسودگی قرار دارند. به دلایل گوناگون از جمله عدم وجود تناوب کامل، نویز، تداخل و مشخص نبودن زمان شروع بخش صدادار صوت، تخمین فرکانس اصلی صوت دشوار و دارای تقریب میباشد و پیادهسازی و محاسبه آن با در نظر گرفتن بده-بستان بین کارایی و پیچیدگی انجام میشود. تکنیکهای گوناگونی در حوزه زمان و فرکانس برای محاسبه فرکانس اصلی صوت معرفی شدهاند.
قابلیت اعتماد همواره یکی از چالشهای کلیدی طراحی مدارهای مجتمع میباشد. از جمله عوامل بسیار مهم در کاهش قابلیت اعتماد مدارها میتوان به فرسودگی قطعات اشاره نمود. مهمترین عامل فرسودگی در مدارات نانومتری امروزی پدیده NBTI میباشد. هرگاه ترانزیستور PMOS را با اعمال یک ولتاژ گیت -سورس منفی روشن کنیم این پدیده بروز مینماید و سبب افزایش ولتاژ آستانه ترانزیستور و در نتیجه افزایش تاخیر مدار میگردد
این افزایش تاخیر در نهایت میتواند به تخطی از محدودیتهای زمانی منجر گردد و در نتیجه سبب کاهش طول عمر مدار شود. برای مقابله با اثرات فرسودگی روشهای متفاوتی در سطح گیت، سطح مدار و سطح معماری معرفی شده است. برخی از این روشها در زمان طراحی اعمال شده و در کل زمان استفاده از مدار ثابت باقی میماند
دسته دیگری از این روشها تحت عنوان روشهای زمان اجرا، با ارزیابی شرایط مدار و سنجش میزان فرسودگی در هنگام کار مدار و در زمام اجرا تغییرات و اصلاحاتی در مدار ایجاد میکنند به نحوی که اثرات فرسودگی کاهش مییابد .[9] روش پیشنهادی این مقاله برای مقابله با فرسودگی در سطح کاربرد و معماری و در زمان اجرا بر پایه محاسبات تقریبی معرفی میشود.
در بسیاری از کاربردها نیازمند نتایج دقیق و بدون خطا میباشیم. هرچند نتایج دقیق مزایای فراوانی دارد اما گاهی از نظر توان و زمان هزینه زیادی در بردارد. از طرفی کاربردهایی نیز وجود دارد که ضرورتی به پیادهسازی دقیق آنها نیست، مثلا تعداد زیادی از کاربردها در حوزههایی نظیر پردازش مالتی مدیا، ارتباطات بیسیم، شبکه بصورت ذاتی در برابر خطا مقاوم هستند و در نتیجه امکان پیادهسازی آنها با استفاده از محاسبات تقریبی وجود دارد. در چنین حالتهایی میتوان از بده-بستان بین دقت و توان مصرفی و یا دقت و زمان اجرا بهره برد.
در این مقاله روشی برای مقابله با اثرات فرسودگی در محاسبه فرکانس اصلی صوت با محاسبات تقریبی معرفی شده است. ساختار ادامه مقاله به این صورت است که یکی از عوامل مهم فرسودگی قطعات به نام NBTI در بخش بعد معرفی میشود. سپس مروری بر کارهای انجام شده در زمینه مقابله با فرسودگی به اختصار در بخش 3 ارائه میگردد. در بخش 4 یکی از الگوریتمهای محاسبه فرکانس اصلی صوت معرفی میشود. روش پیشنهاد شده برای محاسبه فرکانس اصلی صوت در بخش 5 آورده شده است. نتایج شبیه سازی در بخش 6 ارائه میگردد و در نهایت مقاله با نتیجه گیری در بخش 7 به پایان میرسد.
.2 فرسودگی و پدیده NBTI
کلیه یکی از مهمترین عوامل فرسودگی مدارها پدیده NBTI میباشد، که با روشن کردن ترانزیستورهای PMOS با اعمال ولتاژ گیت-سورس منفی - فاز استرس - مشاهده میگردد. این پدیده موجب افزایش ولتاژ آستانه و در نتیجه افزایش تاخیر مدار میشود. شدت تاثیر این پدیده به عوامل گوناگونی نظیر دما، زمان روشن بودن ترانزیستور و مقدار ولتاژ بایاس بستگی دارد و مقدار افزایش ولتاژ آستانه ناشی از این پدیده را میتوان از رابطه زیر بدست آورد:
در این رابطه t زمان روشن بودن ترانزیستور، n ثابت مربوط به تکنولوژی و ضریب A تابعی از دما و ولتاژ تغذیه میباشد. یک خاصیت جالب پدیده NBTI این است که بخش زیادی از اثرات و خرابیهای NBTI پس از خاموش کردن ترانزیستور و برطرف شدن شرایط استرس بازیابی میشود. در شکل 1 مثالی از فاز استرس و فاز بازیابی نشان داده شده است.
مشابه با پدیده NBTI در تزانزیستورهای NMOS نیز پس از روشن کردن ترانزیستور با اعمال ولتاژ گیت-سورس مثبت افزایش ولتاژ آستانه مشاهده میشود که به نام PBTI خوانده میشود.
شکل -1 فاز استرس و بازیابی پدیده NBTI
.3 مرور روشهای مقابله با فرسودگی
روشهای متفاوتی برای مقابله با فرسودگی در مقالات ارائه گردیده است. بخشی از این روشها همزمان با طراحی مدار اعمال میشود و تعدادی نیز در زمان اجرا با سنجش میزان فرسودگی ایجاد شده در مدار عمل میکنند. برای سنجش فرسودگی سنسورهای گوناگونی طراحی شده است .[4]-[2] در مقاله [2] سنسوری در فلیپ فلاپها جاگذاری میشود که با کمک آن میزان افزایش تاخیر مسیر مشخص میگردد و به این صورت تخمینی از شدت فرسودگی بدست میآید.
با استفاده از این اطلاعات خطاهای احتمالی ناشی از افزایش فرسودگی پیش بینی میشود. در این مقاله مدارهای مورد استفاده بصورت مقاوم در برابر فرسودگی طراحی شدهاند. در [5] روشی برای سنتز مدارهای دیجیتال با هدف کاهش فرسودگی و افزایش طول عمر معرفی شده است. کنترل بردار ورودی یکی از تکنیکهای متداول در مقابله با فرسودگی به هنگام استفاده از تکنیکهایی نظیر گیت کردن کلاک میباشد
مقاله [7] مدلی جدید برای پدیده NBTI با استفاده از روشهای عددی حل معادلات مدل واکنش-نفوذ معرفی نموده است. سپس با استفاده از این مدل، کارایی تکنیکهای گوناگون کاهش فرسودگی در سطح معماری ارزیابی شده است. در مقاله [8] روشهایی برای انجام تقریبی محاسبات پرکاربرد در حوزههایی با ویژگی مقاومت در برابر خطا ارائه شده است.
.4 تخمین فرکانس اصلی صوت
در سیگنالهای صوتی را می توان به دو دسته صدادار و غیرصدادار تقسیم نمود. به منظور تولید صوت صدادار جریان هوا با ارتعاش تارهای صوتی به پالسهای شبه متناوب تبدیل میشود و سپس با تحریک سیستم صوتی توسط این پالسها اصوات صدادار تولید میشوند. بنابراین در حوزه زمان شکلی از تناوب یا شبه تناوب مشاهده میشود که فرکانس اصلی این تناوب را فرکانس اصلی صوت یا Pitch میگوییم که مقدار آن در افراد مختلف زن و مرد متفاوت میباشد. از سوی دیگر صوت بیصدا هیچگونه تناوبی نداشته و ماهیتی اتفاقی دارد.
یکی از پیش پردازشهای اساسی در کاربردهای گوناگون پردزاش صوت تخمین مقدار فرکانس اصلی سیگنال صوت میباشد. از آنجا که مشخصات سیگنال صوتی با زمان تغییر میکند پردازش آن بصورت فریم به فریم انجام میشود که هر فریم شامل تعداد معینی از نمونههای سیگنال صوت میباشد. معمولا اندازه فریم بین 80 تا 240 نمونه انتخاب میشود. با مقایسه یک فریم و مقادیر گذشته میتوان مقدار فرکانس اصلی صوت را محاسبه کرد و برای هر فریم جدید باید این محاسبات تکرار گردد.
