Skip to main content
SUPERVISOR
Seyedmasoud Sayedi
سید مسعود سیدی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Heidary Takaby
محمد حیدری تک آبی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
With the advancement of technology in recent decades and increase of integrated circuits density, the importance of the power consumption parameter in design of electronic circuits is steadily increasing. GDI is one of the logic structures introduced to design low-power logic gates. In this structure, the design of complex circuits can be done with less number of transistors and with less power consumption. The structure reduces leakage losses due to its special topology. As the threshold voltage decreases in new technologies, leakage losses increase exponentially and account for major part of total losses, so reducing these losses will have a significant effect on the overall power consumption of the circuits. In some applications in signal and image processing, like machine vision and machine learning, if there are some inaccuracies in calculations, the system still has capability of producing output in an acceptable accuracy range. In these applications, design and use of unnecessarily accurate computational units leads to high complexity of circuits and increase of power consumption. Among the four basic and widely used computational units, division unit has most complexity. Design improvement of this unit has a significant impact on the overall power consumption, latency and area of the systems. In this thesis with the aim of reduction of the complexity of this unit, by using the GDI structure several approximate dividers with different accuracy levels have been investigated, designed, and implemented in 45 nm technology. Simulation results show that the dividers in GDI structure compared to their CMOS counterparts have 69% lower power consumption, 33% lower delay and 63% lower area. Simulations results show that the GDI structure is less sensitive to temperature variations, but is more sensitive to the process corners, compared with CMOS structure. Some typical methods, like logical effort, used to optimize the sizes of transistors in CMOS structures to reduce the delay, cannot be used in GDI structure. In this structure, successive stages are not isolated in terms of current, creating a Capacitive-Resistant Chain. Extending this chain and also connecting a large output load to it will increase the delay of the circuit. By using a derived delay equation, the sizes of GDI cells are optimized for minimum delay. To evaluate the efficiency of the proposed approximate dividers in image processing applications, they were used in implementation of JPEG algorithm. Results show that in most cases, the error resulting from the approximate dividers is small. Reduction of hardware complexity and power consumption of approximate dividers in these applications will reduce the total delay and power consumption of the system. Keywords: Digital System, Low Power, Gate Diffusion Input (GDI), Approximate Divider
با پیشرفت تکنولوژی در چند دهه اخیر و افزایش چگالی مدارهای مجتمع اهمیت پارامتر توان مصرفی در طراحی مدارهای الکترونیکی به طور مستمر در حال افزایش می‌باشد. ساختار GDI در جهت طراحی دریچه‌های منطقی با توان پایین معرفی شده است. ویژگی استفاده از این ساختار، طراحی مدارهای پیچیده با تعداد ترانزیستورهای کمتر می‌باشد. مدارهای طراحی شده در این ساختار دارای توان مصرفی و سطح اشغالی پایینی می‌باشند. همچنین این ساختار به‌دلیل توپولوژی خاص خود، تلفات نشتی را کاهش می‌دهد. از آن‌جایی که با کاهش ولتاژ آستانه در تکنولوژی‌های جدید، تلفات نشتی به صورت نمایی افزایش پیدا می‌کنند و بخش عمده‌ای از تلفات کل را شامل می‌شوند،کاهش این تلفات، تاثیر چشمگیری در کاهش توان مصرفی کل مدار دارد. در کاربردهایی خاص در حوزه پردازش سیگنال و تصویر، بینایی ماشین و فراگیری ماشین در شرایط وجود مقداری عدم دقت در محاسبات، سیستم‌ کماکان قابلیت ایجاد خروجی در محدوده دقت قابل قبول را دارا می‌باشد. در این کاربردها، طراحی کاملا دقیق سیستم منجر به پیچیدگی مدار و افزایش توان مصرفی آن می‌شود. واحدهای محاسباتی از مدارهای پرکاربرد در طراحی سیستم‌های دیجیتال می‌باشند. در بین چهار عمل پایه محاسباتی، عمل تقسیم بیشترین پیچیدگی را دارا می‌باشد. با توجه به سخت افزار پیچیده و تاخیر بالای واحد تقسیم کننده، بهبود عملکرد آن تاثیر بسزایی در کاهش توان مصرفی، تاخیر و سطح اشغالی سیستم دارد. در این پایان‌نامه در جهت کاهش پیچیدگی این واحد، چندین تقسیم کننده تقریبی با سطوح دقت متفاوت بررسی و بهبود یافته‌اند و در تکنولوژی 45 نانومتر و در ساختار GDI پیاده سازی شده‌اند. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد تقسیم کننده‌های طراحی شده در ساختار GDI نسبت به نمونه CMOS به طور متوسط منجر به کاهش 69% توان مصرفی، 33% تاخیر و 63% سطح اشغالی شده است. شبیه سازی در دماهای مختلف نشان می‌دهد که این ساختار حساسیت کمتری نسبت به تغییرات دما دارد. اما حساسیت آن نسبت به گوشه‌های پروسه از ساختار CMOS بیشتر می‌باشد. روش‌های معمول بهینه سازی اندازه ترانزیستورها در ساختار CMOS، مانند روش تلاش منطقی که برای کاهش تاخیر استفاده می‌شود، در ساختار GDI قابل استفاده نمی‌باشد زیرا در این ساختار طبقات مختلف از نظر جریانی ایزوله نمی‌باشند و تشکیل زنجیره خازنی- مقاومتی می‌دهند. گسترش این زنجیره و اتصال بار بزرگ به خروجی آن، منجر به افزایش تاخیر می‌گردد. درجهت رفع این مشکل با محاسبه رابطه تاخیر، اندازه مناسب ترانزیستورهای سلول‌های‌ GDI جهت رسیدن به حداقل تاخیر، بهینه شده‌اند. به منظور بررسی کارایی تقسیم کننده‌های تقریبی طراحی شده در کاربردهای پردازش تصویر، از آن‌ها در پیاده سازی الگوریتم JPEG استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد در اکثر حالات، خطای ناشی از استفاده از تقسیم کننده تقریبی مقدار کمی می‌باشد و با توجه به کاهش پیچیدگی سخت افزاری، استفاده از تقسیم کننده‌های تقریبی در این کاربرد منجر به کاهش تاخیر و توان مصرفی سیستم می‌گردد. کلمات کلیدی: طراحی دیجیتال، توان پایین، Gate Diffusion Input (GDI)، VLSI، تقسیم کننده تقریبی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی