다중 문턱 CMOS
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목차
1. 개요
다중 문턱 CMOS (MTCMOS)는 전력 소비를 줄이기 위해 사용되는 기술로, 슬립 트랜지스터를 활용하여 구현된다. MTCMOS는 낮은 문턱 전압(Vth) 트랜지스터를 사용하여 빠른 스위칭 속도를 유지하고, 높은 Vth 트랜지스터를 슬립 트랜지스터로 사용하여 정적 누설 전력을 감소시킨다. 구현 방식에는 "거친 입자", "세밀한 입자", "중간" 방식이 있으며, 각 방식은 슬립 트랜지스터의 배치 및 회로 설계에 따라 면적, 속도 및 전력 소비 측면에서 다양한 특징을 갖는다.
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| 다중 문턱 CMOS | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 다중 문턱 전압 CMOS (MTCMOS) |
| 설명 | 전력 소모를 줄이기 위한 CMOS 회로 설계 기술 |
| 기술적 특징 | |
| 주요 목표 | 누설 전류 감소 및 전력 효율 향상 |
| 사용 방법 | 회로의 다양한 부분에 다른 문턱 전압을 가진 트랜지스터를 사용 |
| 문턱 전압 종류 | 높은 문턱 전압 (high-Vt) 및 낮은 문턱 전압 (low-Vt) 트랜지스터 |
| 높은 문턱 전압 트랜지스터 | 대기 모드에서 누설 전류를 줄이는 데 사용 |
| 낮은 문턱 전압 트랜지스터 | 활성 모드에서 빠른 스위칭 속도 제공 |
| 장점 | 전력 소모 감소, 성능 향상 |
| 단점 | 설계 복잡성 증가, 추가 제조 단계 필요 |
| 응용 분야 | |
| 주요 응용 분야 | 휴대용 장치, 배터리 구동 시스템, 고성능 마이크로프로세서 |
| 구체적 예시 | 스마트폰, 노트북, 웨어러블 기기 |
| 동작 원리 | |
| 절전 모드 | 높은 문턱 전압 트랜지스터가 활성화되어 누설 전류 차단 |
| 활성 모드 | 낮은 문턱 전압 트랜지스터가 활성화되어 빠른 스위칭 속도 제공 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | Sub-threshold CMOS (역치하 CMOS) |
| 참고 문헌 | |
| 참고 문헌 | Anis, M., Areibi, S., & Elmasry, M. (2002). Dynamic and leakage power reduction in MTCMOS circuits. Proceedings of the 39th Design Automation Conference, 480–485. |
2. 구현
다중 문턱 CMOS(MTCMOS) 기술은 집적 회로의 전력 소모, 특히 누설 전류로 인한 정적 전력 소모를 줄이기 위해 다양한 방식으로 구현된다. 가장 일반적인 구현 방법은 슬립 트랜지스터를 사용하는 것이다. 이는 논리 회로에 전력을 공급하는 가상 전원 레일과 실제 전원 레일 사이에 높은 문턱 전압(Vth)을 가진 트랜지스터를 두어, 회로가 비활성 상태(슬립 모드)일 때 전원을 차단하여 누설 전류를 줄이는 방식이다.
논리 게이트에 전원을 선택적으로 공급하는 전원 스위치의 설계는 MTCMOS 기술에서 매우 중요하며, 회로의 속도, 면적, 전력 소모에 큰 영향을 미친다. MTCMOS를 구현하는 접근 방식에는 슬립 트랜지스터를 적용하는 범위에 따라 크게 "거친 입자(Coarse-grained영어)", "세밀한 입자(Fine-grained영어)", "중간(Medium-grained영어)" 방식 등이 있다. 각 방식은 장단점을 가지며, 회로 설계 시 고려해야 할 요소가 다르다. 글리치(glitch영어)와 같은 문제를 방지하고 성공적으로 MTCMOS를 구현하기 위해서는 세심한 설계 기술이 요구된다.
2. 1. 슬립 트랜지스터
전력 소모를 줄이기 위해 다중 문턱 CMOS(MTCMOS)에서 가장 흔하게 사용하는 방법은 슬립 트랜지스터를 이용하는 것이다. 논리 회로는 가상의 전원 레일로부터 전력을 공급받는다. 낮은 문턱 전압(Vth)을 가진 소자는 빠른 스위칭 속도가 중요한 논리 회로에 사용된다. 실제 전원 레일과 가상 전원 레일을 연결하는 높은 Vth 소자는 회로가 활성 상태일 때는 켜지고, 슬립 모드일 때는 꺼진다. 이 높은 Vth 소자가 바로 슬립 트랜지스터로 사용되어, 꺼진 상태에서 정적 누설 전류를 줄이는 역할을 한다.논리 게이트에 전원 공급 장치의 전원을 선택적으로 연결하거나 차단하는 전원 스위치의 설계는 MTCMOS와 같이 낮은 전압에서 고속으로 동작하는 전기 회로망 기술에서 매우 중요하다. 논리 회로의 속도, 차지하는 면적, 그리고 전력 소모는 이 전원 스위치의 특성에 크게 영향을 받는다.
슬립 트랜지스터를 구현하는 방식에는 몇 가지 접근법이 있다.
"거친 입자(Coarse-grained영어)" 방식에서는 높은 Vth 슬립 트랜지스터 하나가 전체 논리 블록의 전원을 제어한다. '슬립' 신호가 비활성화되면(활성 모드), 슬립 트랜지스터가 켜져 낮은 Vth 논리 회로에 가상 전원(또는 접지)을 공급한다. 반대로 '슬립' 신호가 활성화되면(슬립 모드), 트랜지스터가 꺼져 논리 회로와 전원(또는 접지)을 분리한다. 이 방식의 단점은 다음과 같다.
- 논리 블록을 안전하게 끌 수 있는 시점을 결정하기 위해 회로를 적절히 나누어야 한다.
- 슬립 트랜지스터는 해당 블록에 필요한 전류를 충분히 공급할 수 있도록 크기가 커야 하며, 신중하게 크기를 결정해야 한다.
- 항상 활성 상태를 유지하는 별도의 전력 관리 회로를 추가해야 한다.
"세밀한 입자(Fine-grained영어)" 방식에서는 모든 개별 논리 게이트 내부에 높은 Vth 슬립 트랜지스터를 통합한다. 낮은 Vth 트랜지스터는 풀업 및 풀다운 네트워크에 사용되고, 높은 Vth 트랜지스터는 이 두 네트워크 사이의 누설 전류를 차단하는 역할을 한다. 이 방식은 논리 블록 분할 문제나 슬립 트랜지스터 크기 조절 문제를 해결할 수 있다. 하지만 모든 불 대수 게이트에 추가적인 트랜지스터를 넣어야 하고, '슬립' 신호를 모든 게이트에 분배하기 위한 배선 구조가 필요해 회로 면적이 상당히 증가하는 단점이 있다.
중간(Intermediate영어) 방식은 복잡한 기능을 수행하는 특정 임계 게이트(Threshold gate영어)에만 높은 Vth 슬립 트랜지스터를 통합하는 접근법이다. 불 대수 게이트에 비해 임의의 기능을 구현하는 데 필요한 임계 게이트의 수가 적기 때문에, 각 게이트에 MTCMOS를 적용하더라도 면적 증가는 상대적으로 줄어든다. 복잡한 기능을 가진 임계 게이트의 예로는 널 컨벤션 논리(NCL)나 슬립 컨벤션 논리(SCL)에서 사용되는 게이트들이 있다. 글리치(glitch영어)나 다른 문제를 일으키지 않으면서 MTCMOS를 성공적으로 구현하기 위해서는 세심한 설계 기술이 필요하다.
2. 2. 전원 스위치 설계
전력 소모를 줄이기 위해 다중 문턱 CMOS(MTCMOS) 기술에서 가장 흔하게 사용하는 방법은 슬립 트랜지스터를 이용하는 것이다. 논리 회로는 가상의 전원 레일로부터 전력을 공급받는다. 스위칭 속도가 중요한 논리 회로에는 문턱 전압(Vth)이 낮은 소자를 사용한다. 실제 전원 레일과 가상 전원 레일을 연결하는 역할은 문턱 전압이 높은 소자가 맡는데, 이 소자는 회로가 활성 상태일 때는 켜지고, 슬립 모드일 때는 꺼진다. 이렇게 문턱 전압이 높은 소자를 슬립 트랜지스터로 사용하여 정적 누설 전류를 줄인다.논리 게이트에 전원 공급 장치의 전원을 선택적으로 켜고 끄는 전원 스위치 설계는 MTCMOS와 같이 저전압, 고속으로 동작하는 전기 회로망 기술에서 매우 중요하다. 논리 회로의 동작 속도, 면적, 전력 소모는 전원 스위치의 특성에 영향을 받는다.
전원 스위치를 설계하는 방식에는 여러 접근법이 있다.
"거친 입자(Coarse-grained)" 방식에서는 문턱 전압이 높은 슬립 트랜지스터 하나가 전체 논리 블록의 전원을 관리한다. 슬립 신호가 비활성화되면(활성 모드), 트랜지스터가 켜져 문턱 전압이 낮은 논리 회로에 가상 전원(또는 접지)을 연결한다. 반대로 슬립 신호가 활성화되면(슬립 모드), 트랜지스터가 꺼져 논리 회로와 전원(또는 접지)을 분리시킨다. 이 방식의 단점은 다음과 같다.
- 논리 블록을 안전하게 끌 수 있는 시점을 판단하기 위해 회로를 여러 부분으로 나누어야 한다.
- 슬립 트랜지스터는 회로 블록이 필요로 하는 전류를 충분히 공급할 수 있도록 크기가 커야 하며, 신중하게 크기를 결정해야 한다.
- 항상 활성 상태(슬립 모드가 아님)를 유지하는 별도의 전력 관리 회로를 추가해야 한다.
"세밀한 입자(Fine-grained)" 방식에서는 문턱 전압이 높은 슬립 트랜지스터를 모든 논리 게이트 내부에 포함시킨다. 문턱 전압이 낮은 트랜지스터는 풀업 및 풀다운 네트워크(논리 기능을 수행하는 부분)에 사용되고, 문턱 전압이 높은 트랜지스터는 이 두 네트워크 사이의 누설 전류를 차단하는 데 사용된다. 이 방식은 논리 블록을 나누거나 슬립 트랜지스터 크기를 고민할 필요가 없다는 장점이 있다. 하지만 모든 불 대수 기반 게이트에 추가 트랜지스터를 넣어야 하고 슬립 신호를 각 게이트에 전달하기 위한 배선 구조(슬립 신호 분배 트리)가 필요하므로 회로 면적이 상당히 늘어나는 단점이 있다.
중간적인 접근 방식도 있다. 이 방식은 복잡한 기능을 수행하는 특정 임계 게이트(threshold gate)에만 문턱 전압이 높은 슬립 트랜지스터를 통합한다. 불 대수 게이트와 비교했을 때 임의의 복잡한 기능을 구현하는 데 필요한 임계 게이트 수는 더 적다. 따라서 각 임계 게이트에 MTCMOS를 적용하면 면적 증가 부담을 줄일 수 있다. 이러한 복잡한 기능을 가진 임계 게이트의 예로는 널 컨벤션 논리(NCL, Null Convention Logic)나 슬립 컨벤션 논리(SCL, Sleep Convention Logic)에서 사용되는 게이트들이 있다. MTCMOS 기술을 회로 오작동(글리치 등) 없이 구현하려면 세심한 설계 기술이 필요하다.
2. 3. 구현 방식
전력 소모를 줄이기 위해 다중 문턱 CMOS(MTCMOS)를 구현하는 가장 일반적인 방법은 슬립 트랜지스터를 사용하는 것이다. 이 방식에서는 논리 회로가 가상 전원 레일로부터 전력을 공급받는다. 빠른 스위칭 속도가 중요한 논리 회로에는 문턱 전압(Vth)이 낮은 소자를 사용한다. 반면, 실제 전원 레일과 가상 전원 레일을 연결하는 역할은 문턱 전압이 높은 소자가 맡는다. 이 높은 Vth 소자는 회로가 활성 모드일 때는 켜져서 전력을 공급하고, 슬립 모드일 때는 꺼져서 누설 전류를 차단하는 '슬립 트랜지스터'로 작동한다. 이를 통해 정적인 누설 전력을 효과적으로 줄일 수 있다.논리 게이트에 전원 공급 장치의 전원을 선택적으로 켜고 끄는 전원 스위치의 설계는 MTCMOS와 같이 낮은 전압에서 고속으로 작동하는 전기 회로망 기술에서 매우 중요하다. 전원 스위치의 특성은 논리 회로 전체의 속도, 칩 면적, 그리고 전력 소모에 직접적인 영향을 미친다.
MTCMOS를 구현하는 방식에는 크게 "거친 입자(Coarse-grained)", "세밀한 입자(Fine-grained)", 그리고 "중간(Medium-grained)" 접근 방식이 있으며, 각각 장단점을 가진다. 각 방식은 슬립 트랜지스터를 회로 내에 어떻게 배치하고 제어하는지에 따라 구분된다. 글리치나 다른 문제를 일으키지 않으면서 MTCMOS를 구현하려면 일정 수준의 기술이 필요하다.
2. 3. 1. 거친 입자(Coarse-grained) 방식
"거친 입자(Coarse-grained)" 접근 방식에서는 문턱 전압(Vth)이 높은 슬립 트랜지스터를 사용하여 전체 논리 블록에 전원을 공급한다. 회로가 활성 모드일 때는 슬립 신호가 비활성화되어 슬립 트랜지스터가 켜지고, 문턱 전압이 낮은 논리 회로에 가상 전원(또는 가상 접지)을 연결한다. 반대로 슬립 모드에서는 슬립 신호가 활성화되어 슬립 트랜지스터가 꺼지고, 논리 회로와 전원(또는 접지)을 분리하여 누설 전류를 효과적으로 차단한다.이 방식의 단점은 다음과 같다.
- 논리 블록을 언제 안전하게 꺼도 되는지 판단하기 위해 회로를 여러 블록으로 나누어 관리해야 한다.
- 슬립 트랜지스터는 해당 논리 블록이 필요로 하는 전류를 충분히 공급할 수 있도록 크기가 커야 하며, 이를 위해 신중한 크기 설계가 필요하다.
- 항상 활성 상태를 유지해야 하는(즉, 슬립 모드에 들어가지 않는) 별도의 전력 관리 회로를 추가해야 한다.
2. 3. 2. 세밀한 입자(Fine-grained) 방식
"세밀한 입자(Fine-grained)" 접근 방식에서는 높은 문턱 전압(Vth) 슬립 트랜지스터를 모든 게이트 내부에 통합한다. 낮은 문턱 전압(Vth) 트랜지스터는 풀업 및 풀다운 네트워크에 사용되며, 높은 문턱 전압(Vth) 트랜지스터는 이 두 네트워크 사이의 누설 전류를 차단(게이팅)하는 데 사용된다. 이 접근 방식은 논리 블록을 분할하거나 슬립 트랜지스터의 크기를 조절해야 하는 문제를 해결한다. 그러나 모든 불 대수 게이트에 추가적인 트랜지스터를 포함시켜야 하고 슬립 신호를 분배하기 위한 회로(트리)를 생성해야 하므로, 칩에서 차지하는 면적이 커지는 단점이 있다.2. 3. 3. 중간(Medium-grained) 방식
중간 접근 방식은 복잡한 기능을 가진 임계 게이트에 높은 Vth 슬립 트랜지스터를 통합하는 방식이다. 불 대수 게이트와 비교했을 때, 임의의 기능을 구현하는 데 필요한 임계 게이트의 수가 더 적다. 따라서 각 게이트에 다중 문턱 CMOS(MTCMOS) 기술을 통합하더라도 면적 증가 부담이 줄어든다. 복잡한 기능을 가진 임계 게이트의 예로는 널 컨벤션 논리 (NCL)와 슬립 컨벤션 논리 (SCL) 등이 있다. 글리치나 다른 문제를 일으키지 않으면서 MTCMOS를 구현하려면 일정 수준의 기술이 필요하다.
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