Low-power design using networks of transistors

Abstract

In complex integrated circuits, power and performance have moved in opposite directions making the design of low-power devices a highly costly task. Traditionally, integrated circuit design companies adopt many techniques to ensure power requirements, however, techniques based on cell library has become a bottleneck for the development process. As the design complexity and density increase, greater will be the power dissipated, and thus its reduction becomes more important. Seeking to increase the power reduction capability, designers have applied different techniques for each level of the design flow abstraction. At the physical level, so as to bypass the limits of cell libraries, the development of specifically designed cells has become a routine for designs with large power constraints. Observing this requirement, this work aims to investigate the implementation and optimization of digital static CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) cell at transistors level, and the use of library free design methodology as a resource for designing low power systems. In general, fewer transistors are desirable to reduce power dissipation, however, long chains of transistors, necessary for implementing specific logical functions, leads to the increase of the transition time, and hence greater energy dissipation. In order to avoid this effect, we constructed a mapping function, based on transistor size, in order to avoid slow transition time and minimize the number of transistors. The use of this method has proven effective for fine adjustment low power circuits, resulting in an average reduction of 6.35% in dynamic power and 8.26% in static power as compared with the cell library based methodology. As further work, an automated flow set is presented for the logical mapping able to generate specific networks of transistors for each design, making possible their use in traditional design tools.

Em circuitos integrados complexos, potência e desempenho têm caminhado em direções opostas tornando o desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo uma tarefa altamente custosa. Tradicionalmente, empresas de desenvolvimento de circuitos integrados utilizam variadas técnicas para garantir os requisitos de potência, no entanto, técnicas baseadas em biblioteca de células tem se tornado um gargalo para o processo de desenvolvimento. À medida que os projetos aumentam de complexidade e densidade, maior tende a ser a potência dissipada por estes dispositivos, e assim, mais importante torna-se sua redução. Buscando aumentar a capacidade de redução de potência, projetistas tem aplicado diferentes técnicas para cada nível de abstração do fluxo de projeto. No nível físico, de maneira a contornar os limites das bibliotecas de células, o desenvolvimento de células especificamente projetadas tem se tornado uma rotina em projetos com grandes restrições de potência. Observando este requisito, este trabalho visa pesquisar a implementação e otimização de células digitais CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) estática em nível de transistores, e o emprego de metodologia de projeto livre de biblioteca como um recurso para a concepção de sistemas de baixa potência. De um modo geral, menos transistores são desejáveis para reduzir a dissipação de potência, no entanto, longas cadeias de transistores, necessários para implementar funções lógicas específicas, conduz ao aumento do tempo de transição, e, portanto, maior dissipação de energia. A fim de evitar este efeito, construímos uma função de mapeamento, com base no tamanho dos transistores, de forma a evitar um tempo de transição lento e minimizar o número de transistores. O uso deste método demonstrou ser eficaz para o ajuste fino de circuitos de baixa potência, resultando em uma redução média de 6.35% no consumo dinâmico e de 8.26% no consumo estático em comparação com a metodologia baseada em biblioteca de células. Como trabalho adicional, é apresentado um fluxo automatizado de mapeamento lógico e capaz de gerar redes de transistores específicas para cada projeto, tornando possível sua utilização em ferramentas de desenvolvimento tradicionais.