КЛЕВО_FPGA

Дополнение

Ко второму классу вентилей — энергопотребите:?1ей относятся вентили, которые ^\ля питания используют ионизирующее излуче­ ние. Широко известны логические вентили, питающиеся от света искусственных источников. Существуют также логические схемы работоспособные от солнечного света.

Они отнесены ко второму классу. К данному классу относятся также и вентили, способные использовать энергию других источ­ ников энергии. В качестве таких источников используется фоновое радиоизлучение, сейсмическая энергия вибрации стен зданий, пе­ репады атмосферного давления и другие. Вентили данного класса принципиально отличаются от вентилей предыдущего класса нали­ чием встроенных преобразователей энергии.

Известны также логические вентили, способные функциониро­ вать как от искусственных традиционных источников, так и от естественных источников энергии. Например, такие вентили могут питаться энергией солнечного света, а в его отсутствие — от тра­ диционного аккумулятора. Вентили данного третьего класса прин­ ципиально отличаются от двух предыдущих наличием специальных средств, обеспечивающих изменения режима электропитания.

Традиционные источники питания J\ля передачи энергии требу­ ют, по крайней мере, двух шин: собственно шин питания и общей шины. Шины подключаются к каждому вентилю цифрового устрой­ ства и занимают значительную часть площади кристалла. Это об­ стоятельство во многом определяет топологию интегральной схе­ мы и затрудняет внутрисхемные соединения. Большая длина шин и большая площадь шин также отрицательно сказываются на надеж­ ности устройств и плотности их упаковки. Энергетическое снаб­ жение с использованием традиционных источников является типич­ ным централизованным с присущими ему недостатками.

Любой одиночный дефект, приводящий к короткому замыканию шин питания, приводит к катастрофическому отказу устройства в целом.

Протекание токов по шинам питания обуславливает термолизацию части поставляемой источником энергии. Неизбежные потери энергии при транспорте от источника к вентилю делает принципи­ ально невозможным создание полностью адиабатических схем, то есть, схем совершенно не диссипирующих энергию.

Вторым классификационным признаком рассматриваемой клас­ сификации логично использовать характеристику вентилей-потре­ бителей, отражающую степень диссипации энергии в процессе об-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

работки и хранения информации. Долгое время существовали логи­ ческие элементы только полностью диссипирующие потребляемую от источников питания энергию. Электрическая энергия, поставля­ емая как искусственными, так и естественными источниками элек­ тропитания в процессе производства информации диссипировалась полностью, превращаясь в тепло, выделяемое на резистивных эле­ ментах конструкции цифровых устройств. Это порождало большие проблемы теплоотвода. Сравнительно недавно появились новые ви­ ды вентилей и логических схем, принципиально отличающиеся от упомянутых выше. Появились логические схемы лишь частично дис­ сипирующие энергию, потребляемую от источника в процессе про­ изводства информации. В цифровых схемах данного вида энергия диссипируется лишь часть энергии поставляемой источником, дру­ гая же часть — обратно возвращается в источник питания и исполь­ зуется повторно. Схемы данного вида имеют качественные отличия от широко используемых традиционных схем, обуславливающие их несомненные достоинства в экономичности.

Изложенное выше иллюстрируется верхним фрагментом класси­ фикационной диаграммы, приведенной на рис. Д.2.1.

В нижнем ряду классификационной диаграммы представлены виды схемотехнических воплощений логических вентилей. Схемо­ технические виды отличаются способами представления двоичной информации и способами ее обработки. Именно от того, как пред­ ставляется и обрабатывается информация, зависит энергетика ло­ гических вентилей. Полностью диссипируюпще энергию вентили пред­ ставлены тремя видами: так называемыми схемами с отношением, схемами без отношения и схемами типа переключателей тока. Эти виды схемотехнических решений потребляют энергию, как прави­ ло, от традиционных источников, реже — от излучения. В процессе производства информации эти виды вентилей полностью диссипируют потребляемую энергию.

Всхемах с отношением при производстве информации уровень логического «О» формируется за счет падения напряжения на рези­ сторе. При этом транспорт энергии от источника энергопитания сопровождается ее диссипацией.

Всхемах без отношения уровень логической «1» формируется пу­ тем накопления энергии на паразитной выходной емкости. В процес­ се транспорта энергии от источника энергопитания к накопителю имеет место ее диссипация на резистивных элементах. Однако, при некоторых уровнях потери энергии можно значительно уменьшить.

Дополнение

Упомянутые три вида схемотехнических решений с их разновид­ ностями и энергетическими особенностями будут подробно рассмо­ трены в разделах Д.З и Д.4. В нижнем ряду классификационной диаграммы размещены также несколько видов частично диссипирующих схем вентилей. Описание принципов их функционирования и конкретных схемотехнических решений посвяш,ен раздел Д.6, здесь же отметим, что эти виды вентилей также питаются от традици­ онных источников энергии, как правило, аккумуляторов.

Что же касается вентилей, потребляюш;их энергию от комбини­ рованных источников энергии (класс III на классификационной диа­ грамме), то они находятся в ранней стадии развития. Имеются лишь их отдельные схемотехнические решения, но уже очевидно, что эти могут быть как полностью так и частично диссипируюш;ие. Венти­ ли данного класса описаны в разделе Д.6.

Приведенная классификация имеет не вполне законченный вид и не отображает в полной мере все многообразие логических вен­ тилей. В пределах каждого из видов схемотехнической организации имеются схемотехнические разновидности, реализуемые в различ­ ных структурных и приборных вариантах на различных технологи­ ческих платформах. Все эти варианты интегрального воплош;ения конечно же определяют как количество энергии так и моп];ность, необходимые для производства информации. Однако, учет всех схе­ мотехнических разновидностей и вариантов воплощения в класси­ фикационной диаграмме на рис. Д.2.1. сделал бы ее слишком слож­ ной и запутанной. Поэтому исключительно по соображениям удоб­ ства в соответствующих разделах дополнения приведены отдельные классификационные диаграммы для схем с отношением, схем без от­ ношения и токовых переключателей. Их можно рассматривать как фрагменты общей классификации.

Д.2.2. Общие вопросы энергетики цифровых вентилей

В работе любой логической схемы можно выделить четыре различ­ ных с точки зрения энергетики промежутка времени. На рис. Д.2.2 приведена эпюра изменения напряжения на выходе вентиля в зави­ симости от времени, на которой отменены эти временные интерва­ лы. На протяжении промежутков to и ti вентиль находится в неак­ тивных, так называемых, стационарных состояниях В интервалах времени tio и ^oi вентиля находится в процессе перехода из одного состояния в другое и наоборот. Именно в эти промежутки времени и происходит собственно производство информации. В стационар-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

ных режимах информационные состояния, представленные уравне­ ниями напряжений на выходе, не изменяются. Каждое из четырех состояний логических вентилей обеспечивается энергетически раз­ личным образом. Соответственно и различны затраты энергии на производство единицы информации.

Вентили-энергопотребители

\

схематические решения

Р и с . Д . 2 . 1 . Классификация цифровых вентилей.

Способы подачи энергии, конкретные механизмы ее использо­ вания и расходования различны ^\ля различных типов вентилей на протяжении выделенных выше временных интервалов процесса про­ изводства информации.

Для того чтобы систематически проанализировать энергетику производства цифровой информации во всем ее многообразии выше была проведена классификация логических вентилей как потреби­ телей электроэнергии.

Способы подачи энергии в вентили определяются прежде всего видом источника питания. Механизмы использования и расходова­ ния зависят от схемотехнической организации и видами использу­ емых компонентов вентилей. Все это и определяет классификаци-

Дополнение

онные признаки, которые помогут рассмотреть энергетику произ­ водства информации последовательно и систематически. Но вполне целесообразно рассмотреть общие J\RR всех потенциальных логиче­ ских вентилей вопросы энергетики производства информации по­ средством электронных схем.

Р и с . Д.2.2. Эпюра напряжения на выходе цифрового вентиля.

В общем случае средняя энергия ТУ^^, необходимая р^ля производ­ ства и хранения одного бита информации, может быть определена выражением:

где W^p — энергия, необходимая для представления логической «1» или энергия сохранения стационарного состояния вентиля, когда на его выходе напряжение равно f/«i»;

^ст — энергия, необходимая для представления логического «О» С/«о»; pyj~^ — энергия, необходимая для производства логического «О»,

или энергия, обеспечивающая отпирание вентиля;

W^~^ — энергия, необходимая для производства логической «1», или энергия, обеспечивающая запирание вентиля.

Энергия W^^^ обеспечивающая представление логической «1», может быть накоплена и хранится на конденсаторе Свых^ входящем в состав электронной схемы логического вентиля без отношения (вы­ ходная емкость) и тогда эта энергия будет определять величину C/«i»

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

согласно выражению:

В вентилях другого типа (вентили с отношением) сохранение данного стационарного состояния может быть обеспечено при про­ текании тока, то есть при транспорте энергии от источника через выход вентиля.

Энергия W}^^ обеспечивающая представление логического «О» может быть накоплена и храниться на конденсаторе Свх, входящем

всостав электронной схемы (входная емкость).

Ввентилях другого типа сохранение логического «О» обеспечи­ вается за счет транспорта энергии от источника энергоснабжения через открытый переключатель.

Вобоих случаях энергия необходима р^ля представления инфор­ мационного состояния логического вентиля, но механизмы ее ис­ пользования принципиально различны. Для вентилей первого ти­ па характерным является представление информации хранящейся энергией. Для вентилей второго типа представление информации сопряжено с транспортом энергии.

Транспорт электрической энергии согласно закону Джоуля-Ленца сопровождается ее превращением в тепло. И поэтому даже в стаци­ онарных состояниях от источника энергоснабжения потребляется энергия. Количества энергии ^^Qjji и VF^^ для вентилей с отношени­ ем зависят от промежутков времени ti и ^2 их пребывания в стаци­ онарных состояниях, когда информация не производится.

При производстве информации в вентилях первого типа про­ исходит накопление энергии W^^ на конденсаторе Свх и энергии W^^ на конденсаторе СвыхНакопление энергии происходит путем ее транспорта от источника энергопитания по электрическим це­ пям с паразитными резисторами и, следовательно, сопровождается джоулевыми потерями.

Стационарные компоненты W^^ и W^^ энергии в большинстве типов вентилей определяется не только необходимыми величинами напряжений C/«i» и С/«о», но также и различными паразитными эф­ фектами в электронных схемах. К таким паразитным эффектам, в значительной мере определяющим энергетику логических схем, пре­ жде всего необходимо отнести диссипацию энергии на резистивностях переключателей и соединений и из-за утечки тока через закры­ тые переключатели.

Дополнение

Важной энергетической характеристикой любого логического вентиля является скорость P{t) изменения энергии во времени:

С учетом различных мгновенных значений мощности на различ­ ных временных интервалах производства информации общее выра­ жение для энергии (Д.2.1) можно записать в следующем виде:

+j PL{t)dt+ I P^Ht)dt

^1+^10 ^1+^10+^0

где: P^^ (t) — мощность в открытом состоянии вентиля или мощ­ ность представления логического «О»;

^ст (^) — МОЩНОСТЬ В закрытом состоянии вентиля или мощ­ ность предоставления логической «1»;

^дин (^) — МОЩНОСТЬ производства логического «о»; Рст (О — мощность производства логической «1».

Стационарные составляющие мощности Р^^ и Р^^ определяет скорости расходов энергии, источником питания при представлении и хранении информации в виде уровней Ко» и V^a» соответственно. Динамические составляющие Р^^ и Р^^ определяют скорости рас­ хода энергии при производстве вентилями новой информации под воздействием входного сигнала.

Пределы интегрирования в выражении для энергии единично­ го переключения поясняются эпюрой выходного напряжения, при­ веденной на рис. Д.2.2. Выражение (Д.2.4) приближенно определя­ ет среднее значение энергии единичного переключения логическо­ го вентиля, работающего при периодически изменяющемся входном сигнале.

Общее количество энергии, потребляемой вентилем за время ра­

Эта энергия полностью диссипируется в вентилях традицион­ ной микросхемотехники и порождает проблемы теплоотвода. На

Д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

рис. д.2.3 приведена временная зависимость плотности мощности микропроцессоров, иллюстрирующая серьезность проблемы теплоотвода в цифровых устройствах. Эффективный теплоотвод необхо­ дим для термостабилизации цифровых устройств, поскольку повы­ шение температуры является основным дестабилизирующим факто­ ром при производстве информации с высокими скоростями. Поэто­ му цифровые системы характеризуются величиной предельно допу­ стимой мощности Рдоп, которая характеризует минимально возмож­ ную скорость отвода тепла от кристалла интегральной схемы.

Плотность мощности, Вт/см^ lOOOOf

Поверхность Солица

1000 +

Рис. д.2.3. Временная зависимость плотности мощности микропроцессоров.

Величина Рдоп определяется конструкцией корпуса интеграль­ ной схемы, условиями и конструктивными средствами теплоотвода.

Механизм производства информации посредством электронных схем заключается в формировании различных электрических цепей в различные временные интервалы. Электрические цепи обязатель­ но включают резисторы. Переключатели поочередно подключают выход вентиля через эти цепи то к шине питания, то к общей шине. По этим цепям протекают токи и, согласно закону Джоуля-Ленца, превраш,ается в тепло электрическая энергия, определяемая выра­ жением:

Дополнение

Этот процесс диссипации энергии, поставляемой источником пи­ тания неизбежно происходит во всех типах вентилей, представлен­ ных в классификационной диаграмме на рис. Д.2.1. Количество диссипированной и термализованной энергии тем не менее существенно различно р^ля разных типов вентилей. Почему термолизация энер­ гии неизбежна в цифровых системах, построенных на электронных схемах из традиционных управляемых переключателях, традицион­ ных электронных компонентах (резисторах, конденсаторах, диодах и т.п.). Ответ прост. Электронные компоненты являются «неиде­ альными». Их шунтируют паразитные сопротивления утечки. Пара­ зитные сопротивления включаются и последовательно с «идеальны­ ми» элементами. Сопротивления утечки включены последовательно и/или параллельно конденсаторам, диодам и, конечно, переключа­ телям (транзисторам). Сопротивления утечки имеют большую ве­ личину (порядка 10^ — 10^^ Ом), но, тем не менее, они в значитель­ ной мере определяют энергетику цифровых устройств обработки информации, выполненных в виде ультра БИС.

Действительно, даже при Е'^ = 1 В ток утечки одного венти­ ля составляет величину Ц (10~^ — 10~^^) А, а в устройствах, вы­ полненных в виде ультра БИС, ток утечки будет равен Nli и при N = 10^ составляет (10~^ — 10^) А. Параллельные паразитные сопротивления утечки шунтируют электронно-дырочные переходы и диэлектрические области переключателей. Физические механиз­ мы, обуславливающие эти утечки тока определяются туннельным эффектом, термоэлектрической эмиссией, генерацией носителей в об­ ласти пространственного заряда и другими физическими эффектами.

Для различных переключателей-транзисторов эти эффекты бу­ дут рассмотрены в последующих разделах дополнения. Не вдаваясь пока в детали физических механизмов токов утечки, отметим, что их роль в энергетике производства информации постоянно возра­ стает при уменьшении геометрических размеров переключателей как топологических, так и структурных.

Параллельные паразитные сопротивления утечек электронно-ды­ рочных переходов определяются в значительной мере поверхност­ ными эффектами и плохо контролируемыми технологическими про­ цессами очистки поверхности. Величины сопротивлений утечки опре­ деляются достигнутым технологическим уровнем. Их можно умень­ шить, но полностью устранить невозможно.

Последовательные паразитные сопротивления представляют со­ бой сопротивления рабочих полупроводниковых областей компонен-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

тов, контактов к ним и внутрисхемных соединений. При субмикрон­ ных размерах элементов и контактных окон к ним сопротивления становятся недопустимо большими.

Уменьшать же сопротивление этих областей путем увеличения уровня их легирования нельзя, поскольку практически предельные уровни концентрации примесей уже достигнуты (при больших кон­ центрациях наступает вырождение полупроводника, приводяш;ее к снижению подвижности носителей и ухудшению характеристик тран­ зистора).

Количество потребляемой энергии и скорость ее потребления (мош;ность) от источников питания являются главными энергети­ ческими характеристиками логических схем.

Обш;епринятым основным параметром, характеризуюш;им энер­ гетику логического вентиля является энергия единичного переключе­ ния VFo? приближенно определяемая как средняя энергия производ­ ства единицы информации приближенно задаваемая выражением:

И^о - Ртср,

где: Р — мош;ность вентиля; Гср — среднее время задержки пере­ ключения вентиля.

Энергия единичного переключения является величиной постоян­ ной р^ля вентиля определенного схемотехнического типа, конструк­ ции, физической структуры и технологии. Величина WQ определя­ ется только параметрами вентиля (величиной удельных значений паразитных емкостей и резисторов, геометрическими размерами и т.п.) и не зависит от режимов его работы.

Скорость потребления энергии от источника питания (мопщость Р) логического вентиля может варьироваться в широких пределах, но увеличение мош;ности неизбежно приводит к уменьшению величины Гср и наоборот, таким образом, эта величина энергии единичного переключения остается постоянной, то есть:

WQ — const.

Характеристика является объективной характеристикой совер­ шенства логического вентиля. И поэтому широко используется для сравнения технологий.

В обш;ем случае в традиционных интегральных цифровых устрой­ ствах с полной диссипацией энергии вся энергия, потребляемая от источников питания рассеивается на резистивных элементах элек­ тронной схемы, преврап];аясь в тепло.