Đồ án: Thiết kế và Tối ưu bộ cộng xấp xỉ sử dụng công nghệ CMOS tiên tiến

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và tối ưu bộ cộng xấp xỉ bằng công nghệ CMOS tiên tiến. Tài liệu gồm sơ đồ mạch, phân tích và dữ liệu mô phỏng chi tiết.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Graduation Project

2024

85
1
0

Phí lưu trữ

30 Point

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bộ cộng xấp xỉ trong công nghệ CMOS

Bộ cộng xấp xỉ (Approximate Adder) đại diện cho một bước tiến quan trọng trong thiết kế mạch điện tử hiện đại. Công nghệ CMOS tiên tiến cho phép tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và tốc độ xử lý của các mạch số. Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và tối ưu hóa bộ cộng xấp xỉ sử dụng công nghệ CMOS 90nm, một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao nhưng có thể chấp nhận sai số nhỏ. Việc sử dụng mạch cộng xấp xỉ giúp giảm công suất tiêu thụ đến 40-50% so với các bộ cộng truyền thống.

1.1. Khái niệm bộ cộng xấp xỉ

Bộ cộng xấp xỉ là một thiết kế mạch tính toán kết quả cộng với độ chính xác giảm nhưng tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Các kiến trúc như Low-Part Or Adder (LOA)Hardware Efficient Approximate Adder (HEAA) được thiết kế nhằm cải thiện hiệu suất năng lượng trong các ứng dụng xử lý tín hiệu và học máy.

1.2. Ứng dụng của công nghệ CMOS tiên tiến

Công nghệ CMOS 90nm cung cấp khả năng tích hợp mạch caotiêu thụ công suất thấp. Các ứng dụng bao gồm xử lý hình ảnh, nhận dạng giọng nói, và xử lý dữ liệu thời gian thực trong các hệ thống IoT và thiết bị di động.

II. Các kiến trúc bộ cộng xấp xỉ chính

Các kiến trúc bộ cộng xấp xỉ khác nhau được phát triển dựa trên nguyên tắc hy sinh độ chính xác để đạt hiệu quả năng lượng tối ưu. Low-Part Or Adder (LOA) sử dụng cổng OR để thay thế các phần ít quan trọng trong quá trình tính toán. Hardware Efficient Approximate Adder (HEAA) tối ưu hóa bằng cách giảm số lượng bóng bán dẫn trong các khối tính toán không quan trọng. Full Adder circuits tinh chỉnh được thiết kế để cân bằng giữa chính xáctiêu thụ năng lượng. Các mạch XOR/XNOR được tối ưu hóa để giảm độ trễ và công suất tĩnh.

2.1. Low Part Or Adder LOA

LOA là một thiết kế bộ cộng xấp xỉ đơn giản nhưng hiệu quả, sử dụng cổng OR thay vì Full Adder ở các bit có ý nghĩa thấp. Phương pháp này giảm công suất tiêu thụ đáng kể với sai số tương đối thấp, phù hợp cho các ứng dụng xử lý tín hiệu.

2.2. Hardware Efficient Approximate Adder HEAA

HEAA cung cấp độ chính xác cao hơn LOA bằng cách tối ưu hóa cấu trúc mạch và giảm chi phí transistor. Kiến trúc này cải thiện hiệu suất năng lượng lên đến 35% so với Full Adder truyền thống trong công nghệ CMOS 90nm.

III. Phương pháp thiết kế và mô phỏng

Quá trình thiết kế bộ cộng xấp xỉ bao gồm các bước chi tiết từ phân tích lý thuyết đến mô phỏng thực tế. Các kỹ sư sử dụng công cụ CAD để thiết kế mạch điện và đánh giá hiệu suất qua các chỉ số như độ trễ, công suất tiêu thụ, và tỷ lệ sai số. Mô phỏng SPICE trên công nghệ CMOS 90nm cho phép kiểm tra hoạt động mạch dưới các điều kiện khác nhau. Tối ưu hóa topo mạch được thực hiện để đạt được cân bằng tối ưu giữa hiệu suấtđộ chính xác. Các diagram thiết kế được xác thực thông qua mô phỏng đầy đủ.

3.1. Thiết kế mạch XOR XNOR tối ưu

Mạch XOR/XNOR là thành phần cơ bản trong Full Adder và cần tối ưu hóa để giảm độ trễcông suất. Các thiết kế sử dụng cổng logic hiệu quả với số lượng transistor tối thiểu nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

3.2. Mô phỏng và đánh giá hiệu suất

Mô phỏng SPICE công nghệ CMOS 90nm cung cấp dữ liệu chính xác về tiêu thụ công suất, độ trễ truyền, và margin nhiễu. Các kết quả mô phỏng giúp xác định các tham số tối ưu để đạt hiệu suất tốt nhất cho từng ứng dụng cụ thể.

IV. Kết quả và triển vọng tương lai

Nghiên cứu về thiết kế và tối ưu hóa bộ cộng xấp xỉ đã cho thấy kết quả đáng khích lệ trong việc giảm công suất tiêu thụ mà vẫn duy trì độ chính xác chấp nhận được. Mạch cộng xấp xỉ như LOAHEAA thể hiện lợi thế rõ rệt so với các kiến trúc truyền thống trong công nghệ CMOS 90nm. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn với sự phát triển của công nghệ CMOS còn tiên tiến hơn và các ứng dụng AI/ML đòi hỏi xử lý nhanh chóng với năng lượng thấp. Các nhà nghiên cứu đang khám phá các kiến trúc bộ cộng xấp xỉ mới để tối ưu hóa hiệu suất cho các hệ thống edge computing.

4.1. Thành tựu chính của nghiên cứu

Thiết kế mạch Full Adder tối ưu và các kiến trúc bộ cộng xấp xỉ đã được phát triển và mô phỏng thành công. Kết quả cho thấy giảm 40-50% công suất so với bộ cộng truyền thống. Diagram thiết kếdữ liệu mô phỏng đã được xác thực trên công nghệ CMOS 90nm.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào so sánh chi tiết giữa các kiến trúc bộ cộng xấp xỉ khác nhau. Cần khám phá các kiến trúc mớiáp dụng công nghệ CMOS còn tiên tiến hơn như 45nm hoặc 28nm để đạt tối ưu hoàn toàn.

18/12/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT ELECTRONICS AND COMMUNICATIONS DESIGN AND OPTIMIZATION OF APPROXIMATE ADDER USING ADVANCED CMOS TECHNOLOGY LECTURER: PhD. PHAM VAN KHOA STUDENT: LUONG NGOC PHUONG QUYNH NGUYEN PHUC HUNG SKL012497 Ho Chi Minh City, January 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION REPORT DESIGN AND OPTIMIZATION OF APPROXIMATE ADDER USING ADVANCED CMOS TECHNOLOGY Student: LUONG NGOC PHUONG QUYNH ID: 19161050 Student: NGUYEN PHUC HUNG ID: 19161013 Electronics and Communications Engineering Major: Technology Advisor: PhD. PHAM VAN KHOA Ho Chi Minh City, January 2024 I THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January , 2024 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: Luong Ngoc Phuong Quynh Student ID: 19161050 _________________________ Student name: Nguyen Phuc Hung Student ID: 19161013 __________________________ Major: Electronics and Communications Class: 1916CLA Engineering Technology Advisor: Ph.D Pham Van Khoa Phone number: 0964720967 Date of assignment: 01/09/2023 Date of submission: 12/01/2024 1. Project title: Design and optimization of approximate adder using advanced CMOS technology 2.

Initial materials provided by the advisor: Materials about approximate computing, analysis method full adders design 3. Content of the project: Discovery to high-performance adders and optimize it into approximate adders, simulating based on 90nm cmos technology 4. Final product: Design diagrams and simulation data for XOR/XNOR circuits, Full Adder circuits, Approximate Adder CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) III THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January , 2024 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: LuongNgoc Phuong Quynh Student ID: 19161050 Student name: Nguyen Phuc Hung Student ID: 19161013 Major: Electronics and Communications Engineering Technology Project title: Design and optimization of approximate adder using advanced CMOS technology Advisor: Ph.D Pham Van Khoa EVALUATION 1. Content of the project: Discovery to high-performance adders and optimize it into approximate adders, simulating based on 90nm cmos technology 2.

Strengths: Learned and resreached about the most optimal full adders and designed approximate adders such as Low-part Or Adder and Hardware Efficient Approximate Adder. Weaknesses: The performance of the 2 approximate adder (LOA and HEAA) has not been compared; resreach on other approximate adder has not been complated yet 4. Approval for oral defense? (Approved or denied) .(in words:…………………………………………………………) Ho Chi Minh City, January , 2024 ADVISOR (Sign with full name) IV THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January , 2024 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: LuongNgoc Phuong Quynh Student ID: 19161050 Student name: Nguyen Phuc Hung Student ID: 19161013 Major: Electronics and Communications Engineering Technology Project title: Design and optimization of approximate adder using advanced CMOS technology Name of Reviewer: Ph.D Pham Van Khoa EVALUATION 1. Content and workload of the project Discovery to high-performance adders and optimize it into approximate adders, simulating based on 90nm cmos technology 2.

Strengths: Learned and resreached about the most optimal full adders and designed approximate adders such as Low-part Or Adder and Hardware Efficient Approximate Adder 3. Weaknesses: The performance of the 2 approximate adder (LOA and HEAA) has not been compared; resreach on other approximate adder has not been complated yet 4. Approval for oral defense? (Approved or denied) .) Ho Chi Minh City, January , 2024 REVIEWER (Sign with full name) V THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom– Happiness -------- Ho Chi Minh City, January , 2024 EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER Student name: LuongNgoc Phuong Quynh Student ID: 19161050 Student name: Nguyen Phuc Hung Student ID: 19161013 Major: Electronics and Communications Engineering Technology Project title: Design and optimization of approximate adder using advanced CMOS technology Name of Defense Committee Member: Ph.D Pham Van Khoa EVALUATION 1. Content and workload of the project Discovery to high-performance adders and optimize it into approximate adders, simulating based on 90nm cmos technology 2.

Strengths: Learned and resreached about the most optimal full adders and designed approximate adders such as Low-part Or Adder and Hardware Efficient Approximate Adder 3. Weaknesses: The performance of the 2 approximate adder (LOA and HEAA) has not been compared; resreach on other approximate adder has not been complated yet 4.) Ho Chi Minh City, January , 2024 COMMITTEE MEMBER (Sign with full name) VI THANK YOU During my time studying at Ho Chi Minh City University of Technical Education, I would like to express my sincere thanks to the School Board of Directors and the teachers for creating the best learning conditions and environment for me so that I can concentrate on studying and researching. Furthermore, I want to convey my sincere thanks to the professors and instructors at the Faculty of High-Quality Education for their commitment to teaching and for inspiring me to study more about every topic so that I may arm myself with the finest tools possible for the future. I want to express my gratitude to Ph.

Pham Van Khoa, my instructor, in particular, for his passionate guidance and advice. Throughout the composition of this research paper, he supported me, offered advice, and assisted with editing so that I could finish my graduation thesis as effectively as feasible. However, my research cannot be perfect owing to restricted conditions and expertise. I so eagerly await your input so that I may improve my writing and add to my expertise for next research projects.

These are insightful remarks that will aid me in the future in refining both my thesis and my expertise. Finally, I would want to thank you very much again and wish you continued health, happiness, and professional success. VII SUMMARY In order to handle an ever-increasing amount of data, computer systems' overall energy consumption is still rising alarmingly quickly, despite advancements in semiconductor technology and the development of energy-efficient design strategies. In particular, computer systems are being utilized more and more to handle vast amounts of data from diverse sources and interact with the real environment as they become more and more commonplace.

In addition, we anticipate that they will exhibit realistic human interfaces and context awareness. As a result, a vast array of applications—known as Recognition, Mining, and Synthesis, or RMS—have surfaced, and they now consume a substantial amount of computational resources in a variety of computing contexts, from large-scale data centers to mobile and Internet of Things (IoT) devices. In order to handle the increasing amount of data, it is imperative to significantly increase the energy efficiency for these new workloads. Thankfully, these applications typically include an inherent error-resilience characteristic.

They handle redundant and noisy data from unconventional input sources, such different kinds of sensors (inexact inputs), and the corresponding methods are frequently stochastic (e. Furthermore, these applications typically do not need to calculate a singular or ideal numerical result (i., "acceptable" outputs rather than exact ones). Ensuring error-free calculations becomes more and more energy-intensive as semiconductor technology moves closer to the nanoscale range. This is because at advanced technology nodes with low supply voltage and constantly rising integration density, circuits are more susceptible to errors and fluctuations in parameters.

For variation tolerance and error correction, guardbands and redundancies are needed at different levels of the design hierarchy in conventional fault-free computing, which results in a large energy overhead. Inspired by the aforementioned difficulties, approximation computing has emerged as a highly promising alternative that has gained considerable support in both academia and industry. Aiming for large energy-efficiency advantages, approximation computing intentionally inserts "acceptable errors" into the computing process by loosening the numerical equivalency between the design and implementation of error-tolerant applications. VIII TABLE OF CONTENTS GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT .III ADVISOR’S EVALUATION SHEET.

IV PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET .V EVALUATION SHEET OF DEFENSE COMMITTEE MEMBER. VI THANK YOU. VIII TABLE OF CONTENTS. IX TABLE OF FIGURE .XI TABLE OF TABLE .XIV Chapter 1 : INTRODUCTION.

2 Chapter 2 : THEORETICAL BASIS .1 The Full Adder Circuit .1 The CLRCL (Complementary & Level Restoring Carry Logic) Full Adder 7 2.2 High-gate-count full adder designs (TG-CMOS, TFA, 14T, 16T) .3 The 10T Full Adder Design .2 The XOR/XNOR circuits .1 The 8T XOR-XNOR .2 The 10T XOR-XNOR circuit .3 The 4-transistor XOR/XNOR circuits .3 Approximate XOR/XNOR-based Adders design .2 Approximate Circuits And Their Implementation .4 Process Design Kit .1 Generic Process Design Kit (GPDK) 90 nm technology (gpdk90) .2 Generic Process Design Kit (GPDK) 180 nm technology (gpdk180). 31 Chapter 3 : CONSTRUCT THE IDEAL APPROXIMATE ADDER .1 Optimal Design Quality .1 Optimization of XNOR .2 Optimization of full adder: .2 Optimization of Adder design methods .1 Optimization of Adder design methods: Low-part OR Adder (LOA) .2 Optimization of Adder design methods: Hardware Efficient Approximate Adder (HEAA). 51 Chapter 4 : RESULTS OF SIMULATION, COMPARISON, ANALYSIS AND SYNTHESIS .1 Results of simulation by Cadence .1 A comparison delay of each full adder in 90, 180nm: 10T adder (90nm and 180nm) .2 A comparison power of each full adder in 90, 180nm 10T adder (90nm and 180nm) .2 Analysis of result .1 A software tool for automatic generation of approximate arithmetic circuits56 4.3 Relation of the computing approximate_LOA (Lower-Part Or Adder Design), 10T, XOR/XNOR .2 Relation of the computing approximate_HEAA (Hardware Efficient Approximate Adder Design), 10T, XOR/XNOR. 63 Chapter 5 : CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION .67 X TABLE OF FIGURE Figure 2- 1 The symbol of full adder .5 Figure 2- 2 Block Diagram of basic full adder circuit.

7 Figure 2- 3 Logic circuit diagram of a 2-bit full adder. 7 Figure 2- 4 Logic block diagram of the CLRCL full adder. 8 Figure 2- 5 MOS circuit schematic design of the CLRCL full adder. 9 Figure 2- 6 The Full Adder circuit using transmission gates.

10 Figure 2- 7 The TFA (Transmission Function Adder) full adder. 12 Figure 2- 8 The 14T full adder design. 12 Figure 2- 9 The 16T full adder design. 13 Figure 2- 10 The 10T full adder design.

14 Figure 2- 11 The 8-transistor XOR/XNOR circuits. 15 Figure 2- 12 10-transistor XOR/XNOR circuits. 16 Figure 2- 13 The 4-transistor XOR/XNOR circuits. 18 Figure 2- 14 Accurate XOR/XNOR-based 10T Full-Adders .19 Figure 2- 15 Conventional 10T full adder designs: The New Static Energy-Recovery Full (SERF) Adder.

20 Figure 2- 16 Architecture of lower-part OR adder (LOA) .21 Figure 2- 17 Operation of proposed adder .23 Figure 2- 18 Operations of proposed error reduction when An−k−1 and Bn−k−1 are identical. 24 Figure 2- 19 Operations of proposed error reduction when An−k−1 and Bn−k−1 are exclusive .24 Figure 2- 20 Approximate Adder (HEAA) Design. 25 Figure 2- 21 Approximate XOR-based Adder 1 (AXA1).25 Figure 2- 22 Approximate XNOR-based Adder 2 (AXA2).26 Figure 2- 23 Approximate XNOR-based Adder 3 (AXA3).28 Figure 2- 24 Process Design Kit (PDK) provides necessary information for the circuit design. 30 Figure 3- 1 Schematic of 4T XOR-XNOR circuit.

32 XI Figure 3- 2 Waveforms of the outputs of 4T XOR/XNOR circuit. 33 Figure 3- 3 TPHL and TPLH of 4T XNOR circuit. 33 Figure 3- 4 The average power of 4T XNOR.34 Figure 3- 5 Schematic of 8T XNOR .34 Figure 3- 6 Waveforms of the outputs of 8T XOR/XNOR circuit. 35 Figure 3- 7 TPHL and TPLH of 8T XNOR .35 Figure 3- 8 The average power of 8T XNOR.36 Figure 3- 9 Schematic of 10T XOR/XNOR circuit .36 Figure 3- 10 Waveforms of the outputs of 10T XOR/XNOR circuit.

37 Figure 3- 11 TPHL and TPLH of 10T XNOR .37 Figure 3- 12 The average power of 10T XNOR.38 Figure 3- 13 Schematic of SERF Full Adder. 39 Figure 3- 14 Waveforms of the outputs of SERF Full Adder circuit.39 Figure 3- 15 TPHL and TPLH of SERF Full Adder. 40 Figure 3- 16 The average power of SERF. 40 Figure 3- 17 Schematic of TFA Full Adder .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ