Ultralow Power Circuit Design With Subthreshold/Near-Threshold 3-D IC Technologies

چکیده

نیاز به سیستم های با توان فراپایین و راندمان انرژی بالا به طور روزافزونی با افزایش در کاربرد وسایل قابل حمل به شدت کوچک شده و سیستم های حسگر از راه دور بدون نظارت در حال اهمیت یافتن است. مجتمع سازی 3D ، تکنولوژی نوظهوری است که به کاهش فوت پرینت و همچنین توان کمک می کند. در این مقاله، مزیتهای ترکیب شده IC های 3D و طراحی های منبع ولتاژ پایین را برای بدست آوردن حداکثر راندمان انرژی به طور دقیق بررسی می کنیم. انواع مختلف مدارها را در طراحی های 2D مرسوم و 3D سیلیکونی در ولتاژهای تغذیه از ولتاژهای اسمی گرفته تا زیرآستانه را پیاده سازی می کنیم. تاثیر مجتمع سازی 3D بر این انواع مختلف مدارها مورد تحلیل قرار می گیرد. پژوهش ما بر اساس مقایسه توان و انرژی layout های GDSII کامل می باشد. پژوهش ما تائید می کند که مدارهای زیرآستانه/نزدیک به آستانه عملا توان چند مرتبه بزرگی در مقابل تعادل عملکرد با بهبود بیشتر به دلیل پیاده سازی 3D ارائه می کنند. به علاوه، طراحی های 3D، ناحیه فوت پرینت را تا 78% و طول سیم را تا 33% در مقایسه با طراحی های 2D برای معیارهای طراحی مجزا کاهش می دهند. تحقیقات ما همچنین نشان می دهند که مشکلات گرمایی و افت IR در پیاده سازی 3D زیرآستانه به دلیل کارکرد به شدت توان پایینش، قابل صرف نظر هستند. در نهایت، مزیتهای پهنای باند حافظه بالا و توان پایین مدارهای زیرآستانه 3D با هسته زیاد را نشان می دهیم.

Abstract

The requirement of ultralow power and energy efficient systems is becoming more and more important with the increase in the use of miniaturized portable devices and unsupervised remote sensor systems. 3-D integration is an emerging technology that helps in reducing footprint as well as power. In this paper, we study in detail the combined benefits of 3-D ICs and low-voltage supply designs to obtain maximum energy efficiency. We implement different types of circuits in conventional 2-D and through-silicon-via-based 3-D designs at different supply voltages varying from nominal to subthreshold voltages. The impact of 3-D integration on these different types of circuits is analyzed. Our study is based on power and energy comparison of full GDSII layouts. Our study confirms that subthreshold/near-threshold circuits indeed offer a few orders of magnitude power versus performance tradeoff with further improvement due to 3-D implementation. In addition, 3-D designs reduce the footprint area up to 78% and wirelength up to 33% compared with the 2-D counterpart for individual design benchmarks. Our studies also show that thermal and IR drop issues are negligible in subthreshold 3-D implementation due to its extreme low-power operation. Finally, we demonstrate the low-power and high-memory bandwidth advantages of many-core 3-D subthreshold circuits.

مقدمه

یکی از موثرترین روشهای کاهش مصرف توان کل مدارهای مجتمع با مقیاس بسیار بزرگ، کوچک کردن ولتاژ منبع است. تحقیقات پیشین نشان داده اند که تحت ولتاژ منبع تغذیه بهینه، مدار می تواند به حدقل مصرف انرژی برای کار دست یابد، که هدف اصلی برای کاربردهایی است که نیاز به عمر طولانی باتری دارند. این ولتاژ تغذیه معمولا نزدیک ولتاژ آستانه ترانزیستورها قرار می گیرد. اما فرکانس کار به شدت کاهش می یابد، راندمان انرژی ارتقا می یابد، که مصرف انرژی را کاهش می دهد در نتیجه طول عمر باتری را افزایش می دهد، که الزام اصلی برای سیستم های از راه دور و پرتابل است مانند شبکه های حسگر. شرایط کاری ولتاژ پایین و زیرآستانه نیاز دارند که گیت مجزا به صورتی قدرتمند طراحی شود، که مستلزم اندازه بزرگتر ترانزیستورها است. برای طراحی ای بزرگ، اینها باعث داغ شدن ناحیه می شوند. چون ناحیه مستقیما با هزینه نسبت دارد، داشتن همان کاربرد سیلیکون اما بدست آوردن توان پایین و راندمان انرژی بالا مطلوب است.

IC های 3D یکی از نویدبخش ترین فناوری هایی هستند که مجتمع سازی بالاتر و کوچک سازی بیشتر را با افزایش در پهنای باند حافظه برای حافظه های off-chip (خارج از چیپ) ممکن می سازد درحالیکه اتلاف توان را کاهش می دهد و عملکرد را بهبود می بخشد. اینترکانکت های بسیار کوچکتر ناشی از die stacking ، منجر به اتلاف توان سوئیچینگ پایین تر نسبت به طراحی های اینترکانکت بلند می شوند. حافظه استک شده بر اساس منطق، حافظه های off chip (خارج از چیپ) را به on chip (در چیپ) مجتمع سازی می کند. با کوچ به سمت 3D، افزایش چشمگیری در پهنای باند حافظه وجود می آید. فوت پرینت کل طراحی هم به شدت کاهش می یابد که نیازهای طراحی های کوچک را بیشتر برآورده می کند. یک مزیت بسیار مهم مجتمع سازی 3D این است که به ما در مجتمع سازی die های ناهمگن که از فناوری های مختلف استفاده می کنند یا ولتاژ تغذیه مختلف دارند کمک می کند. مزیتهای بلقوه استکینگ 3D ، اگر به درستی استفاده شوند می توانند به ارتقا مدارها و سیستم ها به شدت کمک کنند.