Este trabalho tem como foco a aplicação de técnicas de otimização de potência no alto nível de abstração para circuitos CMOS, e em particular no nível arquitetural e de transferência de registrados (Register Transfer Leve - RTL). Diferentes arquiteturas para projetos especificos de algorítmos de filtros FIR e transformada rápida de Fourier (FFT) são implementadas e comparadas. O objetivo é estabelecer uma metodologia de projeto para baixa potência neste nível de abstração. As técnicas de redução de potência abordadas tem por obetivo a redução da atividade de chaveamento através das técnicas de exploração arquitetural e codificação de dados. Um dos métodos de baixa potência que tem sido largamente utilizado é a codificação de dados para a redução da atividade de chaveamento em barramentos. Em nosso trabalho, é investigado o processo de codificação dos sinais para a obtenção de módulos aritméticos eficientes em termos de potência que operam diretamente com esses códigos. O objetivo não consiste somente na redução da atividade de chavemanto nos barramentos de dados mas também a minimização da complexidade da lógica combinacional dos módulos. Nos algorítmos de filtros FIR e FFT, a representação dos números em complemento de 2 é a forma mais utilizada para codificação de operandos com sinal. Neste trabalho, apresenta-se uma nova arquitetura para operações com sinal que mantém a mesma regularidade um multiplicador array convencional. Essa arquitetura pode operar com números na base 2m, o que permite a redução do número de linhas de produtos parciais, tendo-se desta forma, ganhos significativos em desempenho e redução de potência. A estratégia proposta apresenta resultados significativamente melhores em relação ao estado da arte. A flexibilidade da arquitetura proposta permite a construção de multiplicadores com diferentes valores de m. Dada a natureza dos algoritmos de filtro FIR e FFT, que envolvem o produto de dados por apropriados coeficientes, procura-se explorar o ordenamento ótimo destes coeficientes nos sentido de minimizar o consumo de potência das arquiteturas implementadas.

Este trabalho tem como foco a aplicação de técnicas de otimização de potência no alto nível de abstração para circuitos CMOS, e em particular no nível arquitetural e de transferência de registrados (Register Transfer Leve - RTL). Diferentes arquiteturas para projetos especificos de algorítmos de filtros FIR e transformada rápida de Fourier (FFT) são implementadas e comparadas. O objetivo é estabelecer uma metodologia de projeto para baixa potência neste nível de abstração. As técnicas de redução de potência abordadas tem por obetivo a redução da atividade de chaveamento através das técnicas de exploração arquitetural e codificação de dados. Um dos métodos de baixa potência que tem sido largamente utilizado é a codificação de dados para a redução da atividade de chaveamento em barramentos. Em nosso trabalho, é investigado o processo de codificação dos sinais para a obtenção de módulos aritméticos eficientes em termos de potência que operam diretamente com esses códigos. O objetivo não consiste somente na redução da atividade de chavemanto nos barramentos de dados mas também a minimização da complexidade da lógica combinacional dos módulos. Nos algorítmos de filtros FIR e FFT, a representação dos números em complemento de 2 é a forma mais utilizada para codificação de operandos com sinal. Neste trabalho, apresenta-se uma nova arquitetura para operações com sinal que mantém a mesma regularidade um multiplicador array convencional. Essa arquitetura pode operar com números na base 2m, o que permite a redução do número de linhas de produtos parciais, tendo-se desta forma, ganhos significativos em desempenho e redução de potência. A estratégia proposta apresenta resultados significativamente melhores em relação ao estado da arte. A flexibilidade da arquitetura proposta permite a construção de multiplicadores com diferentes valores de m. Dada a natureza dos algoritmos de filtro FIR e FFT, que envolvem o produto de dados por apropriados coeficientes, procura-se explorar o ordenamento ótimo destes coeficientes nos sentido de minimizar o consumo de potência das arquiteturas implementadas.

Esta tese propõe o desenvolvimento de um método de estimativa de capacitâncias e de potência consumida nos circuitos combinacionais CMOS, no nível de portas lógicas. O objetivo do método é fazer uma previsão do consumo de potência do circuito na fase de projeto lógico, o que permitirá a aplicação de técnicas de redução de potência ou até alteração do projeto antes da geração do seu leiaute. A potência dinâmica consumida por circuitos CMOS depende dos seguintes parâmetros: tensão de alimentação, freqüência de operação, capacitâncias parasitas e atividades de comutação em cada nodo do circuito. A análise desenvolvida na Tese, propõe que a potência seja dividida em duas componentes. A primeira componente está relacionada ao consumo de potência devido às capacitâncias intrínsecas dos transistores, que por sua vez estão relacionadas às dimensões dos transistores. Estas capacitâncias intrínsecas são concentradas nos nodos externos das portas e manifestam-se em função das combinações dos vetores de entrada. A segunda componente está relacionada às interconexões entre as células do circuito. Para esta etapa utiliza-se a estimativa do comprimento médio das interconexões e as dimensões tecnológicas para estimar o consumo de potência. Este comprimento médio é estimado em função do número de transistores e fanout das várias redes do circuito. Na análise que trata das capacitâncias intrínsecas dos transistores os erros encontrados na estimativa da potência dissipada estão no máximo em torno de 11% quando comparados ao SPICE. Já na estimativa das interconexões a comparação feita entre capacitâncias de interconexões estimadas no nível lógico e capacitâncias de interconexões extraídas do leiaute apresentou erros menores que 10%.

Este trabalho tem como foco a aplicação de técnicas de otimização de potência no alto nível de abstração para circuitos CMOS, e em particular no nível arquitetural e de transferência de registrados (Register Transfer Leve - RTL). Diferentes arquiteturas para projetos especificos de algorítmos de filtros FIR e transformada rápida de Fourier (FFT) são implementadas e comparadas. O objetivo é estabelecer uma metodologia de projeto para baixa potência neste nível de abstração. As técnicas de redução de potência abordadas tem por obetivo a redução da atividade de chaveamento através das técnicas de exploração arquitetural e codificação de dados. Um dos métodos de baixa potência que tem sido largamente utilizado é a codificação de dados para a redução da atividade de chaveamento em barramentos. Em nosso trabalho, é investigado o processo de codificação dos sinais para a obtenção de módulos aritméticos eficientes em termos de potência que operam diretamente com esses códigos. O objetivo não consiste somente na redução da atividade de chavemanto nos barramentos de dados mas também a minimização da complexidade da lógica combinacional dos módulos. Nos algorítmos de filtros FIR e FFT, a representação dos números em complemento de 2 é a forma mais utilizada para codificação de operandos com sinal. Neste trabalho, apresenta-se uma nova arquitetura para operações com sinal que mantém a mesma regularidade um multiplicador array convencional. Essa arquitetura pode operar com números na base 2m, o que permite a redução do número de linhas de produtos parciais, tendo-se desta forma, ganhos significativos em desempenho e redução de potência. A estratégia proposta apresenta resultados significativamente melhores em relação ao estado da arte. A flexibilidade da arquitetura proposta permite a construção de multiplicadores com diferentes valores de m. Dada a natureza dos algoritmos de filtro FIR e FFT, que envolvem o produto de dados por apropriados coeficientes, procura-se explorar o ordenamento ótimo destes coeficientes nos sentido de minimizar o consumo de potência das arquiteturas implementadas.

Esta tese propõe o desenvolvimento de um método de estimativa de capacitâncias e de potência consumida nos circuitos combinacionais CMOS, no nível de portas lógicas. O objetivo do método é fazer uma previsão do consumo de potência do circuito na fase de projeto lógico, o que permitirá a aplicação de técnicas de redução de potência ou até alteração do projeto antes da geração do seu leiaute. A potência dinâmica consumida por circuitos CMOS depende dos seguintes parâmetros: tensão de alimentação, freqüência de operação, capacitâncias parasitas e atividades de comutação em cada nodo do circuito. A análise desenvolvida na Tese, propõe que a potência seja dividida em duas componentes. A primeira componente está relacionada ao consumo de potência devido às capacitâncias intrínsecas dos transistores, que por sua vez estão relacionadas às dimensões dos transistores. Estas capacitâncias intrínsecas são concentradas nos nodos externos das portas e manifestam-se em função das combinações dos vetores de entrada. A segunda componente está relacionada às interconexões entre as células do circuito. Para esta etapa utiliza-se a estimativa do comprimento médio das interconexões e as dimensões tecnológicas para estimar o consumo de potência. Este comprimento médio é estimado em função do número de transistores e fanout das várias redes do circuito. Na análise que trata das capacitâncias intrínsecas dos transistores os erros encontrados na estimativa da potência dissipada estão no máximo em torno de 11% quando comparados ao SPICE. Já na estimativa das interconexões a comparação feita entre capacitâncias de interconexões estimadas no nível lógico e capacitâncias de interconexões extraídas do leiaute apresentou erros menores que 10%.

Esta tese propõe o desenvolvimento de um método de estimativa de capacitâncias e de potência consumida nos circuitos combinacionais CMOS, no nível de portas lógicas. O objetivo do método é fazer uma previsão do consumo de potência do circuito na fase de projeto lógico, o que permitirá a aplicação de técnicas de redução de potência ou até alteração do projeto antes da geração do seu leiaute. A potência dinâmica consumida por circuitos CMOS depende dos seguintes parâmetros: tensão de alimentação, freqüência de operação, capacitâncias parasitas e atividades de comutação em cada nodo do circuito. A análise desenvolvida na Tese, propõe que a potência seja dividida em duas componentes. A primeira componente está relacionada ao consumo de potência devido às capacitâncias intrínsecas dos transistores, que por sua vez estão relacionadas às dimensões dos transistores. Estas capacitâncias intrínsecas são concentradas nos nodos externos das portas e manifestam-se em função das combinações dos vetores de entrada. A segunda componente está relacionada às interconexões entre as células do circuito. Para esta etapa utiliza-se a estimativa do comprimento médio das interconexões e as dimensões tecnológicas para estimar o consumo de potência. Este comprimento médio é estimado em função do número de transistores e fanout das várias redes do circuito. Na análise que trata das capacitâncias intrínsecas dos transistores os erros encontrados na estimativa da potência dissipada estão no máximo em torno de 11% quando comparados ao SPICE. Já na estimativa das interconexões a comparação feita entre capacitâncias de interconexões estimadas no nível lógico e capacitâncias de interconexões extraídas do leiaute apresentou erros menores que 10%.

Em circuitos integrados complexos, potência e desempenho têm caminhado em direções opostas tornando o desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo uma tarefa altamente custosa. Tradicionalmente, empresas de desenvolvimento de circuitos integrados utilizam variadas técnicas para garantir os requisitos de potência, no entanto, técnicas baseadas em biblioteca de células tem se tornado um gargalo para o processo de desenvolvimento. À medida que os projetos aumentam de complexidade e densidade, maior tende a ser a potência dissipada por estes dispositivos, e assim, mais importante torna-se sua redução. Buscando aumentar a capacidade de redução de potência, projetistas tem aplicado diferentes técnicas para cada nível de abstração do fluxo de projeto. No nível físico, de maneira a contornar os limites das bibliotecas de células, o desenvolvimento de células especificamente projetadas tem se tornado uma rotina em projetos com grandes restrições de potência. Observando este requisito, este trabalho visa pesquisar a implementação e otimização de células digitais CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) estática em nível de transistores, e o emprego de metodologia de projeto livre de biblioteca como um recurso para a concepção de sistemas de baixa potência. De um modo geral, menos transistores são desejáveis para reduzir a dissipação de potência, no entanto, longas cadeias de transistores, necessários para implementar funções lógicas específicas, conduz ao aumento do tempo de transição, e, portanto, maior dissipação de energia. A fim de evitar este efeito, construímos uma função de mapeamento, com base no tamanho dos transistores, de forma a evitar um tempo de transição lento e minimizar o número de transistores. O uso deste método demonstrou ser eficaz para o ajuste fino de circuitos de baixa potência, resultando em uma redução média de 6.35% no consumo dinâmico e de 8.26% no consumo estático em comparação com a metodologia baseada em biblioteca de células. Como trabalho adicional, é apresentado um fluxo automatizado de mapeamento lógico e capaz de gerar redes de transistores específicas para cada projeto, tornando possível sua utilização em ferramentas de desenvolvimento tradicionais. / In complex integrated circuits, power and performance have moved in opposite directions making the design of low-power devices a highly costly task. Traditionally, integrated circuit design companies adopt many techniques to ensure power requirements, however, techniques based on cell library has become a bottleneck for the development process. As the design complexity and density increase, greater will be the power dissipated, and thus its reduction becomes more important. Seeking to increase the power reduction capability, designers have applied different techniques for each level of the design flow abstraction. At the physical level, so as to bypass the limits of cell libraries, the development of specifically designed cells has become a routine for designs with large power constraints. Observing this requirement, this work aims to investigate the implementation and optimization of digital static CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) cell at transistors level, and the use of library free design methodology as a resource for designing low power systems. In general, fewer transistors are desirable to reduce power dissipation, however, long chains of transistors, necessary for implementing specific logical functions, leads to the increase of the transition time, and hence greater energy dissipation. In order to avoid this effect, we constructed a mapping function, based on transistor size, in order to avoid slow transition time and minimize the number of transistors. The use of this method has proven effective for fine adjustment low power circuits, resulting in an average reduction of 6.35% in dynamic power and 8.26% in static power as compared with the cell library based methodology. As further work, an automated flow set is presented for the logical mapping able to generate specific networks of transistors for each design, making possible their use in traditional design tools.

Em circuitos integrados complexos, potência e desempenho têm caminhado em direções opostas tornando o desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo uma tarefa altamente custosa. Tradicionalmente, empresas de desenvolvimento de circuitos integrados utilizam variadas técnicas para garantir os requisitos de potência, no entanto, técnicas baseadas em biblioteca de células tem se tornado um gargalo para o processo de desenvolvimento. À medida que os projetos aumentam de complexidade e densidade, maior tende a ser a potência dissipada por estes dispositivos, e assim, mais importante torna-se sua redução. Buscando aumentar a capacidade de redução de potência, projetistas tem aplicado diferentes técnicas para cada nível de abstração do fluxo de projeto. No nível físico, de maneira a contornar os limites das bibliotecas de células, o desenvolvimento de células especificamente projetadas tem se tornado uma rotina em projetos com grandes restrições de potência. Observando este requisito, este trabalho visa pesquisar a implementação e otimização de células digitais CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) estática em nível de transistores, e o emprego de metodologia de projeto livre de biblioteca como um recurso para a concepção de sistemas de baixa potência. De um modo geral, menos transistores são desejáveis para reduzir a dissipação de potência, no entanto, longas cadeias de transistores, necessários para implementar funções lógicas específicas, conduz ao aumento do tempo de transição, e, portanto, maior dissipação de energia. A fim de evitar este efeito, construímos uma função de mapeamento, com base no tamanho dos transistores, de forma a evitar um tempo de transição lento e minimizar o número de transistores. O uso deste método demonstrou ser eficaz para o ajuste fino de circuitos de baixa potência, resultando em uma redução média de 6.35% no consumo dinâmico e de 8.26% no consumo estático em comparação com a metodologia baseada em biblioteca de células. Como trabalho adicional, é apresentado um fluxo automatizado de mapeamento lógico e capaz de gerar redes de transistores específicas para cada projeto, tornando possível sua utilização em ferramentas de desenvolvimento tradicionais. / In complex integrated circuits, power and performance have moved in opposite directions making the design of low-power devices a highly costly task. Traditionally, integrated circuit design companies adopt many techniques to ensure power requirements, however, techniques based on cell library has become a bottleneck for the development process. As the design complexity and density increase, greater will be the power dissipated, and thus its reduction becomes more important. Seeking to increase the power reduction capability, designers have applied different techniques for each level of the design flow abstraction. At the physical level, so as to bypass the limits of cell libraries, the development of specifically designed cells has become a routine for designs with large power constraints. Observing this requirement, this work aims to investigate the implementation and optimization of digital static CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) cell at transistors level, and the use of library free design methodology as a resource for designing low power systems. In general, fewer transistors are desirable to reduce power dissipation, however, long chains of transistors, necessary for implementing specific logical functions, leads to the increase of the transition time, and hence greater energy dissipation. In order to avoid this effect, we constructed a mapping function, based on transistor size, in order to avoid slow transition time and minimize the number of transistors. The use of this method has proven effective for fine adjustment low power circuits, resulting in an average reduction of 6.35% in dynamic power and 8.26% in static power as compared with the cell library based methodology. As further work, an automated flow set is presented for the logical mapping able to generate specific networks of transistors for each design, making possible their use in traditional design tools.

Em circuitos integrados complexos, potência e desempenho têm caminhado em direções opostas tornando o desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo uma tarefa altamente custosa. Tradicionalmente, empresas de desenvolvimento de circuitos integrados utilizam variadas técnicas para garantir os requisitos de potência, no entanto, técnicas baseadas em biblioteca de células tem se tornado um gargalo para o processo de desenvolvimento. À medida que os projetos aumentam de complexidade e densidade, maior tende a ser a potência dissipada por estes dispositivos, e assim, mais importante torna-se sua redução. Buscando aumentar a capacidade de redução de potência, projetistas tem aplicado diferentes técnicas para cada nível de abstração do fluxo de projeto. No nível físico, de maneira a contornar os limites das bibliotecas de células, o desenvolvimento de células especificamente projetadas tem se tornado uma rotina em projetos com grandes restrições de potência. Observando este requisito, este trabalho visa pesquisar a implementação e otimização de células digitais CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) estática em nível de transistores, e o emprego de metodologia de projeto livre de biblioteca como um recurso para a concepção de sistemas de baixa potência. De um modo geral, menos transistores são desejáveis para reduzir a dissipação de potência, no entanto, longas cadeias de transistores, necessários para implementar funções lógicas específicas, conduz ao aumento do tempo de transição, e, portanto, maior dissipação de energia. A fim de evitar este efeito, construímos uma função de mapeamento, com base no tamanho dos transistores, de forma a evitar um tempo de transição lento e minimizar o número de transistores. O uso deste método demonstrou ser eficaz para o ajuste fino de circuitos de baixa potência, resultando em uma redução média de 6.35% no consumo dinâmico e de 8.26% no consumo estático em comparação com a metodologia baseada em biblioteca de células. Como trabalho adicional, é apresentado um fluxo automatizado de mapeamento lógico e capaz de gerar redes de transistores específicas para cada projeto, tornando possível sua utilização em ferramentas de desenvolvimento tradicionais. / In complex integrated circuits, power and performance have moved in opposite directions making the design of low-power devices a highly costly task. Traditionally, integrated circuit design companies adopt many techniques to ensure power requirements, however, techniques based on cell library has become a bottleneck for the development process. As the design complexity and density increase, greater will be the power dissipated, and thus its reduction becomes more important. Seeking to increase the power reduction capability, designers have applied different techniques for each level of the design flow abstraction. At the physical level, so as to bypass the limits of cell libraries, the development of specifically designed cells has become a routine for designs with large power constraints. Observing this requirement, this work aims to investigate the implementation and optimization of digital static CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) cell at transistors level, and the use of library free design methodology as a resource for designing low power systems. In general, fewer transistors are desirable to reduce power dissipation, however, long chains of transistors, necessary for implementing specific logical functions, leads to the increase of the transition time, and hence greater energy dissipation. In order to avoid this effect, we constructed a mapping function, based on transistor size, in order to avoid slow transition time and minimize the number of transistors. The use of this method has proven effective for fine adjustment low power circuits, resulting in an average reduction of 6.35% in dynamic power and 8.26% in static power as compared with the cell library based methodology. As further work, an automated flow set is presented for the logical mapping able to generate specific networks of transistors for each design, making possible their use in traditional design tools.