بخشی از مقاله
چکیده
بیشتر روشهای کاهش توان در مدارهای قابل پیکربندی1 بر روی کاهش توان پویا تمرکز دارند. این روشها در سه بخش مدار، معماری و روشهای طراحی با ابزارهای کامپیوتری2 طبقهبندی میشوند. در اولین اقدام برای ساختن مدارهای قابلپیکربندی با توان مصرفی پایین یک نسخه از مدارهای قابل پیکربندی زایلیکس3 ارائه شد که برای کاهش توان در منطق مسیر ساخت آن تغییرات قابل توجهی ایجاد شده است.
اول اینکه به منظور داشتن اتصالات بیشتر داخل جدولجستجو، جدولجستجوهایی با پنج ورودی به جای جدول جستجوهای با چهار ورودی استفاده شده است. دوم اینکه یک معماری مسیریابی از شبکههای کاهش دوبعدی استفاده شده و نزدیکترین همسایهها را به یکدیگر متصل کرده است. سوم اینکه اتصالات با ولتاژ متناوب و پایین انتخاب شده است. و سرانجام فرکانس داخل بلاکهای منطقی به کمک استفاده از فلیپفلاپهای دو لبه به نصف کاهش داده شدهاند. در این مقاله روشهای اساسی برای کاهش توان پویا بررسی میشود.
-1مقدمه
در مدارهای قابل پیکربندیها قابلیت ترکیببندی مجدد توسط استفاده از مدارهای منطقی و سوئیچها به جای تراشه مهیا میشود.[1-4] در نتیجه در طراحی مدارهای قابل پیکربندی اتلاف توان پویا بسیار بیشتر از طراحی مدارهای مجتمع خاص منظوره4 است.
یک مطالعه [1] برای مقایسه اتلاف توان پویا در مدارهای قابل پیکربندیها و طراحی مدارهای مجتمع خاص منظوره انجامشده است. نتایج این مطالعه حاکی از این است که در میانگین مدارهای قابلپیکربندی 14 برابر توان پویای بیشتری نسبت به مدارهای مجتمع خاص منظوره هدر میدهند.
-2 اتلاف توان پویا در مدارهای قابلپیکربندی
زمانی که در طراحی، از بعضی از بلاکهای سختافزاری در مدارهای قابل پیکربندی استفاده میشود، بلاکهای صرفنظر و تقویتکنندهها خلاصهی توان پویا بین مدارهای قابل پیکربندی و مدارهای مجتمع خاص منظوره با تقویتکنندهها تبدیل به یک فاکتور اصلی در کاهش اتلاف توان مدارهای قابلپیکربندی میشود.
در آزمایشهای انجام شده توسط[1]، حداکثر جریان نشتی گیت یک دستگاه خیلی کم تر از کوچکترین جریان نشتی زیر آستانه ی اندازه گیری شده است و سهم نشت توان گیت کاهش پیدا می کند. با افزایش در دما به علت و ابستگی نشت توان زیر آستانه به دما در نتیجه بیشترین تسلط حالت های بی نشت در جریان نشتی زیر آستانه در نظر گرفته می شود.
اصلیترین دلیل برای این کاهش در اتلاف توان، به علت استفاده مدارهای مجتمع درمدارهای قابل پیکربندی است که به این معنی است که از منابع منطقی کمتر استفادهشده است بنابراین توان کمتر، در حال هدر رفتن خواهد بود. درنتیجه میتوان ذکر کرد که مدارهای قابل پیکربندی وقتی که با مدارهای مجتمع خاص منظوره مقایسه میشوند، اثر کمتری در اتلاف توان دارند.
-3 تعریف توان مصرفی پویا درمدارهای قابلپیکربندی
ایدهی استفاده از دو ولتاژ منبع تغذیه در یک مدار قابلپیکربندی در مقالات متعددی مورد استفاده و بحث قرار گرفته است. این ایده به داشتن دو خط ولتاژ منبع تغذیه در ساختن مدارهای قابلپیکربندی یعنی ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین1 و ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا2 و ابزارهای طراحی که بتواند بر اساس کارآیی و توان مورد نیاز یکی از خطوط را انتخاب کند. مستقل بودن این انتخاب میتواند از کل به یک ماژول یا یک بافر مسیریابی گسترده شود . به کمک استفاده از ولتاژ پایین ولتاژ منبع تغذیه میتوان توان پویا را کاهش داد، چرا که توان پویا به توان ولتاژ منبع تغذیه وابسته است. از نظر تجاری مدارهای قابل پیکربندیها از یک خط ولتاژ منبع تغذیه چندتایی استفاده میکنند. اگرچه که راهی برای اینکه تشخیص اینکه کدام خط بکار گرفته شود وجود ندارد.
خطوط ورودی و خروجی در مدارهای قابلپیکربندی همیشه به خطوط ولتاژ منبع تغذیه متصلشده است که ولتاژ آن بیشتر از خط بکار گرفته شده در هستهی تراشه است. علاوه بر این سلولهای حافظه ایستا3 معمولا برای کاهش توان پویا به ولتاژ منبع تغذیه یا ولتاژ کمتر از هستهی تراشه وصل شدهاند.
حافظه ایستا
با انتخابی بودن خطوطی ولتاژ منبع تغذیه مشکلاتی ایجاد میشوند که در زیر به آنها اشاره میکنیم:
1. نیاز به یک تبدیلکنندهی سطح برای تبدیل ولتاژ منبع تغذیه پایین به منطق ولتاژ منبع تغذیه بالا،
2. سختافزار اضافی مورد نیاز برای انتخاب این که کدام خط استفادهشده،
3. تولید ولتاژ اضافی که یا ذاتا توسط تراشه تولید میشود و یا از پینهای مشخص خارجی به آن اعمال میشود،
4. نیاز به ترانزیستورهای تنزل یافته برای داشتن سود کافی و کامل بدون مواجه شدن با محدودیت بر روی کارآیی.
برای اجتناب از مسائل مربوط به چندین ولتاژ اعمالشده تبدیلکنندههای سطح بالا بردن سطح ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین تا ولتاژ منبع تغذیه نیاز هستند.
-4 مدارهای قابلپیکربندیها با دو ولتاژ منبع تغذیه و دو ولتاژ آستانه از پیش تعریف شده
در اولین اقدام در این روش ساخت مدارهای قابل پیکربندیها با دو ولتاژ منبع تغذیه و دو ولتاژ آستانه از پیش تعیینشده بیانشده است. که هر شاخهی منطقی یا هر منبع مسیر بابی میتواند از ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا یا ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین استفاده کند . هر شاخه یا منبع مسیریابی قابلیت برنامهریزی برای استفاده از ولتاژ در دسترس را ندارد ترجیحا اتصال به خطوط ولتاژ سیم کشیشده است. اگرچه داخل هر شاخهی منطقی و منبع مسیریابی ترکیببندی سلولهای حافظه ایستا همیشه توسط ولتاژ آستانه بالایی به منظور کاهش توان نشتی انجام داده میشود.
در طراحی مدارها با دو ولتاژ منبع تغذیه بایستی روی جهت سیگنالهای مسیریابیشده توجه ویژهای داشت. زمانی که یک منطقه ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا به یک منطقهی ولتاژ منبع تغذیه سطح پایینانتقال داده میشود ترانزیستورهای در منطقهی ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین باید به وسیله یک ولتاژ بالا سخت کار کنند. در نتیجه این ترانزیستورهای دارای تأخیر کمتر هستند. در حالی که زمانی که منطقهی ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین به یک منطقهی ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا انتقال داده میشود نتیجهای غیرمتقارن دارد، چرا که ولتاژ ورودی هرگز به ولتاژ ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا نمیرسد.
علاوه بر این اگر ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین کم باشد در نقطهی وارونسازی وارونگرها از مشکل یکپارچه بودن سیگنال رنج برده و ممکن است خروجی هرگز یک منطق صفر نشود. و همچنین با افزایش ولتاژ ورودی پایین توان مصرفی مدار کوتاه در منطقهی وارونسازی ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا افزایش خواهد یافت. برای تبدیل کردن سطح ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین به سطح ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا از مدلهای سطح استفاده میکنیم.
شکل1، تبدیلکننده سطح استفاده شده را نشان میدهد. این تبدیلکنندهها زمانی استفاده میشوند که از منطقهی ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین به یک منطقهی ولتاژ منبع تغذیه سطح بالا انتقال انجام شود. این مدلها فقط برای منابع منطقی با ولتاژ منبع تغذیه سطح پایین در دسترس هستند. اگرچه اضافه کردن تبدیلکنندهها سطح مساحت را اضافه میکند و همچنین سربار تأخیر در مدارهای قابلپیکربندی را اضافه میکند به همان خوبی هم توان مصرف میکند.
