高速低功耗片上互连接收电路研究与设计

上海交通大学硕士学位论文 I 高速低功耗 片上 互连接收电路 研究与 设计 摘 要 随着集成电路工艺 进入深亚微米和 纳米工艺，以及片上系统 (片上网络 (术的 不断 发展与成熟，互连线正逐步替代传统的逻辑门，成为 大规模 芯片的延迟与功耗问题 的瓶颈，低摆幅互连技术的出现有效地克服了上述问题，从而逐步成为国内外高速低功耗互连研究 新 的新 热点。 本课题设计用于低摆幅互连的接收电路，包括电压型传输模式和电流型传输模式。所设计的结构采用了改进型的灵敏放大器，用以提升电路稳定性，接收电路引入了判决反馈均衡电路，用以抑制传输线的码间串扰，降低误码率。所设计的电路在双时钟沿工作，从而提升了传输率，电路通过 10连线，传输率为 2Gb/s，功耗为 位能耗为 所设计的电压型结构，通过结构的改进，转化为电流型结构，性能、功耗与电压型结构相当。本课题还基于文献设计了电流型的传输线电路，包括发送电路和接收电路，通过 10输率同样达到 2Gb/s，功耗为 所设计的低摆幅互连的接收电路与传统使用的缓冲器插入技术互连比较，在性能和功耗上有较大优势，与文献中的相关设计比较，传输率数量级相当，但功耗与能耗有一定的优势，结果说明了低摆幅互连的前景。 关键词： 低摆幅互连线，电 压型传输，电流型传输，接收电路， 灵敏放大器 上海交通大学硕士学位论文 N F s OC OC to of on as to as as in of is to of of is to Gb/s a 10mm By to In a is on Gb/s, a 10mm to in in of 海交通大学硕士学位论文 录 第一章 绪论 1 题背景与研究意义 1 内外研究现状 2 冲器插入 技术与低摆幅技术 2 压型和电流型传输技术 4 文的主要内容与章节安排 4 第二章 低摆幅互连基本理论 6 典的低摆幅互连结构 6 速互连的接收电路 7 敏放大器 7 决反馈均衡器 8 统灵敏放大器结构 10 流镜灵敏放大器 10 叉耦合型灵敏放大器 11 存器型灵敏放大器 12 差分锁存器型灵敏放大器 12 种传统的 锁存器型灵敏放大器 13 尾型 锁存器结构灵敏放大器 14 流型灵敏放大器 15 压型与电流型灵敏放大器的比较 16 荷型灵敏放大器 17 连线模型介绍 18 总模型和分布模型 19 电感的传输线模型 20 输线的 型 20 章小结 21 第三章 基于电压型灵敏放大器接收电路设计 22 收电路总体框架设计 22 进型灵敏放大器设计 23 上海交通大学硕士学位论文 他模块设计 26 R 锁存器设计 26 决反馈均衡器设计 27 图设计 29 计规则检查 ( 29 图与原理图的一致性检查 ( 29 图设计与验证 30 加传输线模型的接收电路分析 31 收电路的功能分析 31 艺偏差和温度对接收电路性能影响分析 33 章小结 34 第四章 基于电流型灵敏放大器接收电路设计 35 流型与电压型理论性能比较 35 于电压型灵敏放大器改进的电流型接收电路设计 36 种适用于电流型传输的互连电路设计 40 流型互连电路简介 40 路的设计实现 41 章小结 45 第五章 数据与结果分析 46 流型与电压型接收电路仿真比较 46 速互连整体仿真 48 缓冲器插入的比较 48 相关设计比较 51 章小结 52 第六章 总结和展望 53 要工作和创新点 53 续研究 工作 54 参 考 文 献 55 致 谢 59 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 60 上海交通大学硕士学位论文 V 图 录 图 1- 1 不同工艺节点下互连的相对延时变化 1 图 1- 2 通过插入缓冲器减少 连延迟 3 图 1- 3 互连线的主从驱动器 3 图 1- 4 电压与电流模式传输系统对比 4 图 2- 1 通用的低摆幅互连结构 6 图 2- 2 电流型放大器用于生物传感 8 图 2- 3 连续时间与离散时间 块与时域响应 9 图 2- 4 电流镜型灵敏放大器的基本结构 11 图 2- 5 交叉耦合灵敏放大器基本结构 11 图 2- 6 锁存器型灵敏放大器的基本结构 12 图 2- 7 带差分锁存器灵敏放大器的基本结构 13 图 2- 8 一种传统的锁存器型灵敏放大器 14 图 2- 9 双尾型锁存器结构灵敏放大器 15 图 2- 10 电流型灵敏放大器结构 16 图 2- 11 文献 29中进行参数比较的电压型与电流型灵敏放大器结构 17 图 2- 12 电荷型灵敏放大器 18 图 2- 13 导线集总模型 19 图 2- 14 导线分布 型 19 图 2- 15 导线分布 输线模型 20 图 2- 16 分布式 拟模型 20 图 3- 1 接收电路的整体结构 22 图 3- 2 改进前后灵敏放大器结构 23 图 3- 3 改进前后仿真波形对比 24 图 3- 4 改进结构与传统双尾型以及文献 3132结构延迟和功耗比较 26 图 3- 5 灵敏放大器型触发器 (构 26 图 3- 6 存器 结构 27 图 3- 7 判决反馈均衡器结构 28 图 3- 8 判决反馈均衡方式的比较 28 图 3- 9 接收电路版图与输出波形 31 上海交通大学硕士学位论文 3- 10 传输线的 络模型 32 图 3- 11 接收电路仿真的眼图 33 图 3- 12 电压型灵敏放大器各种工艺和温度下 延迟 和 功耗比较 34 图 4- 1 带负载电阻传输线模型 35 图 4- 2 负载电阻对 10输线性能的影响波形 36 图 4- 3 改进前后电流型灵敏放大器 37 图 4- 4 图 4)结构波形分析 38 图 4- 5 图 4)结构波形分析 39 图 4- 6 电压型改进的 电流型灵敏放大器各种工艺和温度下 延迟和 功耗比较 40 图 4- 7 差分电流模式的传输线电路 41 图 4- 8 电流型传输线结构发送端与接收端 42 图 4- 9 存器结构 43 图 4- 10 电流型互连线结构功能波形分析 44 图 4- 11 电流型灵敏放大器各种工艺和温度下延迟和 功耗比较 45 图 5- 1 电压型、电压型改进的电流型与电流型接收电路延迟和 功耗比较 47 图 5- 2 通过插入缓冲器将导线分为 M 段 48 图 5- 3 通过插入缓冲器的波形 50 上海交通大学硕士学位论文 录 表 5- 1 所设计电压型和电流型传输线与插缓冲器的参数比较 50 表 5- 2 所设计的互连接收电路与相关设计的比较 52 上海交通大学硕士学位论文 - 1 - 第一章 绪论 题背景与研究意义 随着集成电路进入深亚微米和纳米工 艺 ， 特征尺寸的缩小使得逻辑门的延迟越来越小。然而因为芯片集成度 不断增大，互连 线 的长度也随之 不断增大，互连线 取代 了晶体管，成为了决定芯片性能的主要因素 1,2。 因此， 互连 线 正逐步成为研究片上信号高速传输的一个 重要课题 。 互连线根据其功能可以分为局部互连线和全局互连线。局部互连线连接功能模块中的单元与门电路，其长度较短并且随着工艺的缩小而缩短。全局互连线 在芯片中往往跨越较长的距离， 通常作为地址与数据总线连接内核与存储器、内核与内核、或者 作为 上述 其他功能模块之间的互连。 近年来片上网络 (逐步替代片上系统 (为片上通信的重要手段 ， 而 ， 点对点路由器互连线由较长的 全局 互连构成 。 互连线的延时随长度的增加而呈平方关系，对于较长的全局 互连，延迟的增加导致了传输率的降低 。 连 线部分的连线延时和器件延迟随工艺变化，如 图 1示，随着工艺尺寸的缩小，互连的延迟增大 3。 图 1- 1 不同工艺节点下互连的相对延时变化 海交通大学硕士学位论文 - 2 - 随着系统集成核数的不断增加，全局互连线 数目相应增加使之 成为片上系统能耗开销的重要部分。 文献 4分析了一款高性能，低功耗微处理器的功耗分布，互连线消耗了 50%以上动态功耗，而其中 90%的互连线功耗由 10%的长互连消耗。如文献 5所示， 在 另 一款芯片中片上网络占功耗的 39%，而其中 17%的消耗在了网络的互连线上 6。 由此可见，互连线的低功耗设计正逐步成为芯片低功耗设计的重要方面。 功耗的增加引起集成电路温度的升高，导致一系列 变化，从而 引起半导体电路的参数漂移， 影响产品的工作性能 ， 同时，温度上升加速芯片的老化速度从而缩短电子产品寿命 。 因此， 控制 全局互连线 的功耗开销 成了片上通信领域 设计的重点之一 。 工艺尺寸的缩小也给片上高速传输带来了新的挑战，电容的寄生效应引起的串扰，以及电阻的寄生效应引起的电压降和电迁移 ，将 引发一系列信号完整性问题。这些问题随着工艺制程降低所伴随的工作电压减小而变得越来越显著，从而可能导致芯片功能的失效和出现可靠性问题。因此， 互连的可靠性 研究 成为了高速传输的另一个重要挑战 。 综上所述， 互连线 的 高速、低功耗方案以及互连线的可靠性研究 正逐步成为集成电 路 设计 与系统结构研究的热点。 内外研究现状 冲器插入 技术 与低摆幅技术 在 传统的 电路设计中为减小互连线延时以及高频信号线间串扰的影响， 采用缓冲器插入 技术， 缓冲器插入方法的原理是 利用反相器的强驱动能力弥补传输线过长导致的驱动不足。 如图 1示， 插缓冲器 使互连线长度缩短 m 倍，从而 互连传播延迟以平方关系减小，如果导线 足够长，那么这足以弥补插入缓冲器造成的额外延迟。 但缓冲器带来的更大的面积 和功耗 开销成为了限 制其使用的因素，有较多文献研究缓冲器的最优化插入方法以实现性能， 功耗 以及面积 的折中。在文献 7中 ， 延时和带宽的限制条件下 ， 利用数学 方法分别计算 得到低功耗情况下驱动 和 互连线 的 插 缓冲器 的能耗最优解 。在文献 8中 ， 提出了 主从驱动器的概念 用以 实现功耗与延时的优化 ，并 用 艺实现， 当负载的电容较大时主从驱动器 同时工作 ，而当负载的电容较小时，主驱动器工作，从驱动器 关闭 ，从而使得互连线在功耗和性能上折中 ，如图 1示 。在文献 9中， 于传输线理论 ， 提出了 用数学方法确定上海交通大学硕士学位论文 - 3 - 插入缓冲器的位置和数目理论， 从而得到了 平衡了最优化的功耗 和面积 。 V i n V o u tt p b u ft p b u f t p b u - 2 通过插入缓冲器减少 连延迟 mH aH mH aM a i n d r i v e rA s s i s t a n t d r i v e - 3 互连线的主从驱动器 8 on 传统的 电路设计 中 ， 插入 缓冲器 的方法简单可靠，但随着 芯片集成度的快速增长，互连线并没有随着工艺尺寸的减小而减小，反而在芯片中占的比重不断增加 ， 因此，为了提升性能， 插入的 缓冲器 尺寸 增大 ，同时 数量 增多 ，导致 了互连线的 功耗及面积等方面的严重问题。 近些年来，也出现了一些更先进的互连线技术 ，低摆幅互连就是其中之一。 低摆幅互连 降低了在互连线上传输的信号摆幅 。电路传播延迟如公式 (1 in 21 )()( (1其中 平均充放电电流 10，当充放电电流不受电压摆幅影响时， 互连线的延迟与 信号摆幅成正比，因此低摆幅互连有效地 降低了延迟提升性能 ， 从而 增大了信号传输率。 由动态功耗的公式可知，互连线的动态功耗与电压摆幅成平方关系，所以，低摆幅互连同时也降低了 动态功耗。由此可见，低摆幅互连 兼顾高传输率和低 功 耗 ， 相比于缓冲器插入技术更具吸引力，成为了国内外互连 理论研究的新热点 。 然而， 降低信号摆幅减少了 电路 噪声容限， 使得 互连线传输 信号 的 完整性和可靠性受到负面影响。 与此同时， 高速互连设计中 ， 互连线的 码间串扰 ( 产生 误码率 (重要原因。 互连线 的码间串扰由 高频工作状态下不同等效元件对频率的不 同 的响应速 度造成的，其中 低频元件会产生较长的响应时间， 从而 在输上海交通大学硕士学位论文 - 4 - 出端产生的信号拖尾现象 ，造成不同码字之间的相互干扰。前沿的低摆幅互连研究在电路结构中增加了均衡技术抑制了码间串扰对互连线的影响，从而有效地降低了互连线的误码率。 压型和电流型传输技术 传统的 电压型传输 如图 1-4 a)所示，通过比较所传输电压与参照电压 ， 从而判断所传输的信号， 因其结构简单、复杂度较小、性能稳定，故被广泛采用 。电流型传输技术如图 1-4 b)所示 ， 信号通过电流脉冲方式传输， 接收端 的负载电阻为零，故存在 一个 路径 ， 通过检测流过该路径的电流 差判断信号的值 11。 作为 电压灵敏放大器的改进， 电流型 灵敏放大技术 最早在文献 12中，由 早提出， 被广泛应用于传统的 读写设计。 通过理论计算，可以证明使用电流型传输线延迟相比于电压型缩小了 3 倍 11。 与电压型传输技术相比， 电流型的噪声容限低得多因而摆幅也低很多，因此电流模式的摆幅可以很低，从而电流模式方法在功耗上也一定优势。有 文献 13中， 提出了一系列电流型的互连线的实现方式，并进行了延迟和能耗的比较。如今， 电流型传输技术正逐步取代电压型，成为 了实现高速互连线的基本实现方式。 V D DR o u Z 0I i a)电压模式传输结构 b)电流传输模式结构 a) b) 1- 4 电压与电流模式传输系统对比 he 文的主要内容与 章节安排 低摆幅电路被广泛用于实现高速、低功耗数据传输，包括发送电路产生低摆幅信号，以及接收电路用于还原低摆幅信号。 本论文旨在 设计 实现 用于 10且满足 2Gb/s 传输率的低摆幅互连线 的接收电路 。本文 分别设计基于 电压型和电流型 传输方式 互连线 的接收电路 ， 接收通过互连线的低摆幅 信号 ，并还原成全上海交通大学硕士学位论文 - 5 - 摆幅信号。 所设计的接收电路要求进行性能，以及功耗和能耗的优化 ，并设计版图。 本论文的主要章节与内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍论文的研究背景、现状与意义；第二章是低摆幅传互连线基本理论的介绍， 包括经典低摆幅结构介绍，灵敏放大器结构以及传输线模型的调研；第三章介绍基于电压型灵敏放大器的接收电路设计，包括灵敏放大器，以及相应的 存器，判决反馈均衡器的设计等等；第四章设计两种电流型的接收电路，第一种基于上述的电压型结构改进成电流型，第二种则是 参考了文献的设计 。论文在第五章 分析比较了所设计的电压型与电流型结构的参数，以及所设计的低摆幅互连与缓冲器技术、相关文献的互连结构的参数比较 ；第六章对于论文进行了总结与分析。 上海交通大学硕士学位论文 - 6 - 第二章 低摆幅互连基本理论 典的低摆幅互连结构 低摆幅互连线 通用结构 如图 2示 ，其中互 连线使用了差分模型，从而抑制了共模噪声的干扰 ， 互连电路还 包括发送电路和接收电路，其中发送电路用来将正常电平信号转化为差分的低摆幅信号，而接收电路则是接收通过传输线的差分信号，并将其还原为正常电平信号。 电压型传输因其结构简单，性能稳定，而被广泛研究。 R e c e i v e rT r a n s m i t t e rO u t +O u t -V i n t e r +V i n t e r - 1 通用的低摆幅互连结构 of 文献 14中， 提出了一种较精确的传输线 型， 用于互连电路的仿真。他们提出的互连线电路在发送端采用了电容型的预加重信号技术，电容型预加重电路驱动每个转换节点都有一个过冲，从而在互连线的终端的响应相比传统的驱动技术有较大改善。 接收电路中增加了模拟型的 判决反馈均衡器(用于抑制传输线的码间串扰，降低传输的误码率 ( 还 制作 0艺下测试芯片，实现 了 在 10连线电路，能够达到 2Gb/平均功耗为 单位能耗为 在文献 15中， 在 基础上传输线模型的基础上， 在 发送端引入了电荷注入型前馈均衡器 (用来抑制传输线的码间串扰 ，在接收端引入互阻放大器 (提升传输率 增加带宽 ，但增加了能耗 和面积 开销 。 同样使用 0艺 实现 测试芯片 ，达到了 6 Gb/s 以上传输率， 平均功耗为 单位 能耗为 b。 在文献 16中， 提出考虑了传输线间串扰的 型，互连电路的发送端使用电容型的预加重技术，接收端使用了 1 阶的数字型 判决反馈均衡器 ，同时电路增加了串扰前馈均衡器 (块，抑制了传输线之间所引起的串扰问上海交通大学硕士学位论文 - 7 - 题 。 实现了 130艺下 10通道低摆幅互连，传输率为 s， 平均功耗为 位 能耗为 pJ/ 电流型传输线 也受到了广泛的关注，文献 17中， 在 m 艺下，实现了片上的电流型 10连线 用于多对一的数据传输。电路发送端使用堆叠型 构 (接收电路使用电流型灵敏放大器，测试芯片的最高单轨传输率达到了 b/s，单位能耗为 速互连的接收电路 高速互连的接收电路 主要由灵敏放大器构成，在一些较长的互连线中，引入了均衡器，从而抑制了串扰引起的传输误码。 敏放大器 灵敏放大器 本质是模拟电路，但常常被用在数字电路设计，用来提升电路的性能和稳定性、降低功耗等等。灵敏放大器最早应用 于存储器结构， 如 于 1992 年在 18中将灵敏放大器用于 1 态 存储器 (，从而使所设计 艺 作电压从 5V 降低到 3V，同时提升了读数据的速度，速度提升了 敏放大器对存储器功能、性能方面，有着举足轻重的作用。 对于 动态存储器 (由于 路的摆幅一般限制在100 毫 伏左右，所以需要放大器将输出电压放大到全摆幅。而在 静态存储器 (，可以在设计中刻意减小位线 上的电压摆幅，而输出用灵敏放大器放大，从而减小功耗和延迟。同时， 灵敏放大器的使用可以减小延迟，存储器的位线一般负载较大，从而导致信号翻转较慢，而接灵 敏放大器输出，可以在位线信号还未趋于稳定时已经将结果正确输出，从而减小读数据的延迟 。 功耗 方面 ，通过减小位线电压摆幅，可以很大程度上降低对充电和放电过程中 动态 功耗。 存储器进入深亚微米和纳米时代，灵敏放大器 对于 提升存储器的可靠性也有重要作用。随着工艺线宽的减小，电源电压相应减小。存储器读取数据时，两位线在求值开始阶段都 要预充电至 高电平， 这 会影响存储单元中的信号，进而造成错误翻转从而改变存储内容。 于 2009 年在 19中提出了一种自写回灵敏放大器结构用于 65艺， 工作电压 为 256路。这种结构用 为开关，分割了位线的负载电容，同时输出端设计自写回灵敏放大器，形成正反馈，从而极大加快求值速度，减小位线 充放电 对存储单元的影响。 文献 19通过仿真表明，对于每条位线 16 个存储单元的结构，使用自写回上海交通大学硕士学位论文 - 8 - 结构的错误率减小了 100 倍以上，从而提升了存储器的可靠性。 如今， 灵敏放大器被应用到越来越多的应用领域， 比如 生物传感，高速 互连等等 ，可以预见，在不久的将来，灵敏放大器在数字电路中的应用将越来越广 。生物医药产业是 21 世纪的一大新兴产业，而生物传感 (其中重要部分。随着微电子和纳米电子等技术被引入，生物传感器设计进入了一个全新的时代，灵敏放大器正被广泛应用于生物传感，比如对特定 列的分析与检测 20，包括对碱基突变及损伤的检测等等。清华大学 在 2007 年 21中提出了一种电流型的灵敏放大器结构，用于放大微小的接近或者小于纳安 (的生物电流。该电路用 艺，实现 20电流增益，输入的失配电流小于 16声电流为 c l a m pi n o u M 1C 0A 0I 0 I 1c l a m pi n o u M 0 M 1M 3C 1C 0A 0a)一种电流型放大器用于生物传感 b)改进 电流型放大器用于生物传感 a) A A in b) A in 2- 2 电流型放大器用于生物传感 21 A in 2两种基本的用于生物传感的电流型放大器 结构，图 a)用电流镜结构实现电流放大，其中电容 限制带宽，这种电路设计难点在于生物电流 常小，因此放大器的灵敏度必须很高，同时， 还要克服 噪声 对 影响，因此 要设计有一定的电流裕度 。图 b)电路满足了电流裕度 要求 ， 并 保证了放大器灵敏度，同时移除了噪声 的影响 ，但是这种电路当输入为低时，带宽会 相应 减小。 决反馈均衡器 均衡技术 (泛用于通信领域， 如芯片之间的通信技术 22。均衡技术被引入高速通信，用于抑制全局传输线过长引起的码间串扰。判决反馈均衡器 (应用于传输线接收电路，但会造成一定的功耗开销。图 2分别用数字和模拟方式实现判决反馈均衡器的方法 ， 判决由灵敏上海交通大学硕士学位论文 - 9 - 放大器的输出信号决定，并通过一个滤波器反馈到传输线的末端，