微电子系统功耗估算与监测的仿真研究

摘要

微电子系统核心是集成电路，其低功耗设计技术，包括功耗估算、监测与低功耗优化三部分。其中，功耗的估算是进行低功耗优化的基础性前提条件。
　　 集成电路设计，需要在两方面考虑功耗的估算与监测问题：设计中获得系统功耗的估算结果，来指导低功耗优化；系统的运行中，监测管理系统的功耗信息，以保证系统的可靠性等。
　　 本文工作的主要目标有两点：
　　 一是根据功耗估算仿真工具的基本原理，利用实用的EDA工具实现一套CMOS逻辑电路动态功耗的估算仿真方法：
　　 二是针对逻辑电路的可靠性等要求，研究一套高速微电流数据采集系统，以实现微电子系统功耗的监测。
　　 论文的主要内容有四：
　　 (1)分析了CMOS集成电路功耗的组成与形成机制，讨论了常见动、静态估算功耗方法的原理；
　　 (2)通过对现有的功耗估算仿真EDA工具的分析研究，以UART电路为例，联合使用QuartusⅡ综合和ModelSim仿真工具，重点分析门翻转率，重视利用正负翻转的不同加权功耗贡献，以门级功耗建模估算方法，建立宏单元功耗计算模型库，并使用RTL电路的综合网表，实现电路动态功耗估算仿真流程的模拟；
　　 (3)针对集成电路功耗的监测管理系统的构建，具体分析系统的原理和各主要结构的实现，重点对电流读取放大电路和高速A/D采样技术，作详细讨论，并仿真分析；
　　 (4)整理总结对微电子系统中集成电路功耗的估算与监测的研究内容，并指出进一步优化与完善的建议和想法。
　　 典型的仿真实现结果主要包括：
　　 (1)UART电路的动态功耗估算仿真中，分别发送和接收四组数据，得到状态翻转系数值power_counter的统计平均值，分别为7986和6108，可比较有效地表现电路功耗的估算结果；
　　 (2)讨论并仿真的三运放差分放大电路，实现Vout=21719.32×△Vin+2.6759V的线性放大转换，其中△Vin的范围设为1μV～100μV，Vout的范围控制在2V～5V；
　　 (3)高速A/D等效采样技术仿真实现四通道并行时间交替采样，所仿真的单片ADC的采样频率为0.25MHz，四片ADC并行交替采样实现的采样频率为1MHz。
　　 研究结论：利用实用的EDA工具，研究适用于微电子系统功耗的估算与监测的技术，在理论与实际两方面都具有很高的可实现性。