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저전력 고속 NCL 비동기 게이트 설계
Design of Low Power and High Speed NCL Gates 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.52 no.2, 2015년, pp.112 - 118  

김경기 (대구대학교 전자공학과)

초록
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기존의 동기방식의 회로는 나노미터 영역에서의 공정, 전압, 온도 변이 (PVT variation), 그리고 노화의 영향으로 시스템의 전체 성능을 유지할 수 없을 뿐만 아니라 올바른 동작을 보장할 수도 없다. 따라서 본 논문에서는 여러 가지 변이에 영향을 받지 않는 비동기회로 설계 방식 중에서 타이밍 분석이 요구되지 않고, 설계가 간단한 DI(delay insentive) 방식의 NCL (Null Convention Logic) 설계 방식을 이용하여 디지털 시스템을 설계하고자 한다. 기존의 NCL 게이트들의 회로 구조들은 느린 스피드, 높은 영역 오버헤드, 높은 와이어(wire) 복잡도와 같은 약점을 가지고 있기 때문에 본 논문에서는 빠른 스피드, 낮은 영역 오버헤드, 낮은 와이더 복잡도를 위해서 트랜지스터 레벨에서 설계된 새로운 저전력 고속 NCL 게이트 라이브러리를 제안하고자 한다. 제안된 NCL 게이트들은 동부 0.11um 공정으로 구현된 비동기 방식의 곱셈기의 지연, 소모 전력에 의해서 기존의 NCL 게이트 들과 비교되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Conventional synchronous circuits cannot keep the circuit performance, and cannot even guarantee correct operations under the influence of PVT variations and aging effects in the nanometer regime. Therefore, in this paper, a DI (delay insensitive) design based NCL (Null Convention Logic) design meth...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 논문에서는 static, semi-static, differential NCL(DNCL)과 같은 NCL 구조들이 가지고 있는 약점들(느린 스피드, 높은 영역 오버헤드, 높은 배선 복잡도)을 극복하기위한 트랜지스터 레벨에서 설계된 새로운 저전력 고속 NCL 게이트 라이브러리를 제안하였다. 제안된 NCL 게이트는 성능과 전력 모두에서 기존의 NCL 게이트 구조들보다 향상된 결과를 보여주었기 때문에 최근 관심이 집중되고 있는 NCL 비동기 시스템을 위한 최적의 게이트 라이브러리로 사용될 것으로 기대된다.
  • 이상과 같이 기존의 각 NCL 셀은 서로 장단점을 가지고 있으며, 공통적으로 증가하는 지연, 증가하는 전력, 큰 사이즈, 어려운 설계 등의 단점을 가지고 있다. 이런 공통의 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 새로운 구조의 NCL 게이트를 제안하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NCL 게이트 중 하나인 differential NCL의 문제점은 무엇인가? 그림 4 (c)의 DNCL 게이트 구조는 최근에 제안되었으며, semi- static 구조와 같이 3개의 트랜지스터 네트워크 (set, reset, feedback inverter) 로 구성되지만, 출력과 출력의 보수를 모두 활용할 수 있는 구조를 가진다. 따라서 전체 회로에서 NCL 게이트의 수를 줄일 수 있지만, 출력을 구동하기 위해서 semi-static 게이트의 트랜지스터보다 큰 사이즈를 사용해야 하고, 반드시 보수의 입력이 사용되어야 하기 때문에 게이트와 게이트 사이를 연결하는 배선의 복잡도가 증가되어서 설계에 어려움이 있다. 뿐만 아니라, semi-static 구조와 같이 약한 피드백 인버터로 인해서 게이트 스피드가 느려지고, 소비 전력이 증가하는 단점이 있다.
delay insensitive(DI) 모델 중 NCL의 장점은 무엇인가? 이런 점들에 의해서 DI 모델이 최근 활발히 연구되어지고 있으며, 그 중에서도 Null Convention Logic(NCL)에 관한 연구들이 많이 되고 있다. NCL은 타이밍 제한만을 용이하게 하는 다른 DI 모델들과는 다르게 타이밍과 전력을 모두 고려한 최적화된 설계를 할 수 있으며, 27개의 기본적인 셀만으로 비동기 회로를 구현할 수 있는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 게이트 레벨과 회로 레벨에서의 회로 구현이 가능하고, 기존의 검증 툴을 그대로 사용할 수 있는 이점이 있다.
비동기 회로 설계는 회로의 소자, 도선의 지연유무에 따라 어떤 모델들이 사용되는가? 비동기 회로 설계는 지연 모델에 따라서 구분할 수 있는데 회로의 소자, 도선의 지연유무에 따라 bounded delay(BD) 모델과 delay insensitive(DI) 모델이 가장 많이 사용된다. BD 모델은 소자, 도선 모두 유한한 지연을 가정하지만, DI 모델은 소자, 도선 모두 알려지지 않은 지연을 가정하므로 어떠한 시간 가정도 필요하지 않으므로 타이밍 분석이 요구되지 않고, 최악의 경우의 성능이 아니라 평균적인 경우의 성능을 가져온다.
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참고문헌 (10)

  1. J. Pangjun & S.S. Sapatnekar, "Low-power Clock Distribution Using Multiple Voltages and Reduced Swings," IEEE Trans. on VLSI Systems, Vol.10, pp. 309-318, 2002. 

  2. Huajun Chi, Sangman Kim, and Jusung Park, "Mixed Dual-rail Data Encoding Method Proposal and Verification for Low Power Asynchronous System Design," Journal of IEEK, Vol. 51, No 7, pp. 66-102, 2014. 

  3. Myeong-Hoon Oh, "Design of QDI Model Based Encoder/Decoder Circuits for Low Delay-Power Product Data Transfers in GALS Systems," Journal of IEEK (SD), Vol. 43, No 1호, pp. 27-37, 2006. 

  4. P. A. Beerel, R. O. Ozdag and M. Ferretti, "A Designer's Guide to Asynchronous VLSI", Cambridge University Press, 2010. 

  5. Scott C. Smith, Jia Di, "Designing Asynchronous Circuits using NULL Convention Logic (NCL)," Morgan & Claypool Publishers, 2009. 

  6. F. A. Parsan, W. K. Al-Assadi, S. C. Smith, "Gate Mapping Automation for Asynchronous NULL Convention Logic Circuits," IEEE Trans. on VLSI Systems, Vol. 22, Issue 1, pp.99-112, Jan. 2014. 

  7. Kyung Ki Kim, "Design and Implementation of low power ALU based on NCL (Null Convention Logic)," Journal of the Korea Industrial Information System Society , V.18, No.5, pp. 59-65, 2013. 

  8. S. Yancey and S. C. Smith, "A Differential Design for C-elements and NCL Gates," IEEE MWSCAS, pp.632-635, Aug. 2010. 

  9. F. A. Parsan and S. C. Smith, "CMOS Implementation Comparison of NCL Gates," IEEE/IFIP VLSI-SoC, pp.41-45, Oct. 2012. 

  10. F. A. Parsan and S. C. Smith, "CMOS Implementation of Static Threshold Gates with Hysteresis: A New Approach," IEEE MWSCAS, pp.394-397, Aug. 2012. 

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