近日，中國科學院微電子研究所感知中心低功耗智能技術與系統團隊在低功耗集成電路設計領域取得新進展，設計出兼容近/亞閾值工作區的基礎電路單元，可廣泛應用于低功耗智能計算芯片。
功耗已成為制約集成電路發展的瓶頸。近/亞閾值技術通過將芯片工作電壓降低到晶體管的閾值電壓附近或閾值電壓以下，可大幅降低數字系統的功耗。近/亞閾值基礎數字電路單元是低功耗智能計算芯片的基石，也是本研究重點解決的難題。
研究首次提出了領先的零冗余動態功耗觸發器、pW級寬范圍電平轉換器及nW級高精度上電復位電路，可廣泛應用于低功耗的智能計算芯片。針對傳統主從觸發器由于冗余操作造成的功耗浪費問題，科研人員提出了一種兼容近/亞閾值設計的低功耗保持TSPC觸發器。該觸發器采用輸入感知預充策略，輔以浮動節點分析和晶體管級優化，有效降低了觸發器的功耗。流片結果表明，該觸發器功耗相比于傳統主從觸發器降低了73%。針對傳統電平轉換器轉換范圍窄、漏電大、不適用于近/亞閾值設計的問題，研究提出了一種低延遲低漏電電平轉換器。該電平轉換器基于電流鏡結構，采用混合閾值電流鏡技術有效解決了切斷直流通路后的節點壓降問題，同時采用超截斷技術進一步優化了電平轉換器的漏電。流片結果表明，該電平轉換器支持0.12V-1.2V的電壓轉換，漏電低至73.95pW。在數字系統中，系統上電和掉電時還需要一個復位信號將系統中的存儲單元設置為一個確定的狀態。為了保證近/亞閾值下數字系統的穩定工作，需要觸發閾值低、閾值偏差小、靜態電流小的上電復位電路。針對以上問題，該研究提出了一種低功耗10晶體管上電復位電路。該上電復位電路基于電流參考和電流比較器結構，僅用10個晶體管即實現了高精度低功耗的上電復位電路。仿真結果表明，該上電復位電路在不同工藝角和溫度條件下，觸發電壓偏差僅為34mV，在0.5V的電源電壓下靜態功耗低至36nW。
相關研究成果分別發表在《IEEE超大規模集成電路與系統匯刊》、《IEEE電路與系統匯刊Ⅱ》、《2021 IEEE國際電路與系統研討會》上。研究工作得到中科院、國家重點研發計劃、微電子所所長基金等的資助。
