Ανάλυση χρονισμού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων VLSI υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του δικτύου παροχής ισχύος

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, θα ασχοληθούμε με ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που παρουσιάζονται στη σύγχρονη σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων. Το πρόβλημα αυτό είναι η ανάλυση χρονισμού των κυκλωμάτων κάτω από πραγματικές συνθήκες, και όχι πλασματικές (προσεγγιστικές), όπως γίνεται στην πλειοψηφία των σύγχρονων εργαλείων σχεδίασης με τη βοήθεια ηλεκτονικών υπολογιστών (CAD εργαλείων). Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα υψηλής απόδοσης παραδοσιακά χαρακτηρίζονται από τη συχνότητα του ρολογιού, στην οποία δουλεύουν. Εκτιμώντας την ικανότητα ενός κυκλώματος να δουλεύει σε μία καθορισμένη ταχύτητα, απαιτείται η ικανότητα να υπολογίζεται, κατά τη διαδικασία της σχεδίασης, η καθυστέρηση του κυκλώματος. Καθώς μία τέτοια μέτρηση μπορεί να γίνει προσομοιώνοντας το κύκλωμα, μία τέτοια προσέγγιση είναι πιθανώς πολύ αργή για να γίνει. Η στατική ανάλυση χρονισμού παίζει ένα ζωτικό ρόλο στη βελτίωση του χρόνου και τον ακριβή υπολογισμό της καθυστέρησης. Στο 1° κεφάλαιο παρουσιάζονται τα βήματα τα οποία ακολουθεί το NanoTime προκειμένου να κάνει στατική ανάλυση χρονισμού. Επίσης, προσδιορίζονται οι καθυστερήσεις λογικής πύλης, μονοπατιού και ολόκληρου του κυκλώματος. Στο επόμενο κεφάλαιο (2°), αρχικά γίνεται η περιγραφή της μεθόδου των κόμβων (ΝΑ). Η συγκεκριμένη μέθοδος, ανάγει ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων δεύτερης τάξης, σε ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων πρώτης τάξης. Εφαρμόζεται όμως σε κυκλώματα που περιέχουν μόνο στοιχεία R και C και όχι στοιχεία L. Γι’ αυτό καταφεύγουμε σε μία τροποποίηση της μεθόδου των κόμβων, η οποία είναι πιο εύκολη στην επίλυση και την επεξεργασία της. Αυτή είναι η τροποποιημένη μέθοδος των κόμβων (ΜΝΑ), η οποία αναλύεται στο ίδιο κεφάλαιο και με την εφαρμογή της, προκύπτει ένα σύστημα δύο αναδρομικών σχέσεων (στο συνεχή χρόνο), που δίνει το διάνυσμα των πτώσεων τάσης καθώς και των ρευμάτων κλάδων. Στο 3° κεφάλαιο, δίνεται ο ορισμός της αυστηρά αύξουσας μονότονης συνάρτησης (που είναι και η καθυστέρηση) και παρουσιάζονται τα μεγιστικά σημεία (maximal points). Αυτά αποτελούν τα σημεία χειρότερης πτώσης τάσης και κατ’ επέκτασιν τα σημεία που μεγιστοποιείται η καθυστέρηση του κυκλώματος. Τέλος, στο 4° κεφάλαιο, προσομοιώσαμε το κύκλωμα c6288, που είναι ένας πολλαπλασιαστής. Αρχικά, χρησιμοποιήσαμε μία μέθοδο για τον έλεγχο της ακεραιότητας τροφοδοσίας και της ευστάθειας του δικτύου διανομής ισχύος. Αυτό σημαίνει πως η μέση πτώση τάσης του, πρέπει να είναι το πολύ 10% της τάσης τροφοδοσίας. Έπειτα τροφοδοτήσαμε το κύκλωμα με τις τάσεις που προέκυψαν από τη συγκεκριμένη μέθοδο και υπολογίσαμε τη μέγιστη καθυστέρησή του σε δύο περιπτώσεις. Στην πρώτη, τροφοδοτούμε το κύκλωμα με 32 διαφορετικές τάσεις και στην δεύτερη με μία, την μικρότερη από τις 32. Η εκπόνηση της εργασίας αυτής δε θα ήταν δυνατή χωρίς τη συμβολή και βοήθεια του επιβλέποντα καθηγητή κ. Ευμορφόπουλου Νέστορα και των καθηγητών κ. Σταμούλη Γεώργιου και κ. Μούντανου Ιωάννη, τους οποίους και θα ήθελα να ευχαριστήσω.