超宽电压静态随机存储器及其多路动态电源管理关键技术

Energy efficiency of electronic circuits is a critical concern in a wide range of applications from mobile multimedia to biomedical monitoring. SRAMs are consuming a large fraction of the total chip area and power dissipation, which is the main motivation for designing SRAMs with low power consumption. To reduce the energy consumption under these variable computation requirements, the underlying circuits must function efficiently over a wide range of supply voltages.Ultra-Dynamic Voltage Scalability (UDVS) is an approach to adjust the supply voltage for a given performance constraint provides power efficient operation. UDVS systems, however, face the challenges of optimizing circuits for a large voltage range. This work focuses on UDVS SRAM design, an important research problem for high efficiency SRAM and its power management. A full integrated UDVS SRAM with its power management will be designed to specifically minimize the SRAM power consumption. Meanwhile, the high performance can be maintained. It is very suitable for the nano-meter SoC and is a novel reseach project which is superior to the conventional designs on SRAM and power management chips. It shows important theoretical meaning and has great extensive application values.

静态随机存储器（SRAM）在SoC 芯片中消耗了越来越大的功耗和面积，利用超动态电压调整（UDVS）技术，可以大幅度减少SRAM 的功耗。UDVS要求SRAM 能在从亚阈值区到标称电压的变化区域内工作，同时需要符合超动态电压调整要求的嵌入式动态电源管理器。本项目将UDVS技术运用到SRAM设计中，研究基于UDVS技术的高效、超宽电压范围SRAM及其动态电源管理的关键理论和实现方案，解决超动态电压调整SRAM的设计及其与嵌入式动态电压转换的协调设计问题。本项研究可以大幅度降低SRAM的功耗，同时还可保证SRAM的高性能，适应对功耗要求非常苛刻的纳米级嵌入式系统的需要。这对以往的SRAM及电源管理芯片的设计与制造而言，均具有创新意义。研究内容满足超低功耗集成系统的迫切需要，具有重要的理论意义和广泛的实际应用价值。

超动态电压调整（UDVS）是一种重要的系统低功耗设计技术，本项目将UDVS技术运用到SRAM设计中，研究高效、超宽电压范围SRAM及其动态电源管理的关键理论和实现方案，在大幅度减少SRAM的功耗的同时保证SRAM的高性能，具有重要的理论价值和实际应用价值。提出新的能量延迟设计优值EnDP（n>1），由该优值可以获得SRAM最优工作电压，指导SRAM存储体的结构设计，该优值适合目前热点研究“低阈值计算技术”，具有重要的现实意义。针对SRAM的超宽电压工作要求，设计8管存储单元、外围电路和存储体架构，提高了SRAM的低压稳定性和可靠性。提出了数字混合控制方法，提升动态电压输出BUCK变换器的瞬态响应。提出了基于LDO多路输出变换器，获得了多路动态输出电压变换器的设计理论和方法，解决多路输出变换器面临的环路稳定、瞬态及稳态交叉调节、轻载效率低等难点问题。针对Boost变换器的固有问题，如启动浪涌及启动时间长，设计了相应的电路给予解决，同时还设计了一款新结构升压KY变换器，以改善Boost变换器的稳定性设计难及纹波大的固有缺点。进一步完善了超宽电压范围、宽负载变换器的设计理论及方法。对SRAM存储体的供电电压范围、等级、负载范围、输出纹波大小及电压建立时间等进行了研究，获得了UVDS DC-DC变换器的设计指标，完成了一款具有自动调整电源电压的SRAM存储体，达到了电源管理与宽电压SRAM负载的协调设计。项目共完成了6款芯片的设计，其中，5款已经流片并测试，达到了设计要求，与国内外其他研究进行了对比，具有先进性；其余一款已通过后仿真，年初流片。本项研究在SoC系统级芯片的低功耗设计方面具有创新性，具有广阔的发展和应用前景。研究成果可应用于SoC IP 核库单元和诸多相关技术领域，有助于减轻功耗对集成度约束，从而推动我国IC水平的纵深发展。