MOSFET 특성에 기초한 CMOS 디지털 게이트의 최대소모전력 예측모델

Maximum Power Dissipation Esitimation Model of CMOS digital Gates based on Characteristics of MOSFET

집적도 및 동작속도의 증가에 따라 설계과정에서 전력소모를 예측하는 것이 TTM(time to market)의 감소를 위해 중요한 문제로 대두되고 있다. 본 논문에서는 CMOS 게이트의 최대소모전력을 예측할 수 있는 예측모델을 제안하였다. 이 모델은 최대소모전력에 대한 계산모델이며, CMOS 게이트를 구성하는 MOSFET 및 게이트의 동작특성, 그리고 게이트의 입력신호 특성을 포함하여 형성하였다. 모델의 설정 절차로는, 먼저 CMOS 인버터에 대한 최대소모전력 예측모델을 형성하고, 다입력 CMOS 게이트를 CMOS 인버터로 변환하는 모델을 제안하여, 변환모델로 변환된 결과를 인버터의 최대소모전력 예측모델에 적용하는 방법을 택함으로서 일반적인 CMOS 게이트에 적용할 수 있도록 하였다. 제안된 모델을 $0.6{\mu}m$ 설계규칙으로 설계한 회로의 HSPICE 시뮬레이션 결과와 비교한 결과, 게이트 변환모델은 SPICE와 5%이내의 상대오차율을 보였으며, 최대소모전력 예측모델은 10% 이내의 상대오차율을 보여 충분히 정확한 모델임을 입증하였다. 또한 제안된 모델에 의한 계산시간이 SPICE 시뮬레이션보다 30배 이상의 계산속도를 보여, 전력예측을 위해 본 논문에서 제안한 모델이 매우 효과적임을 보였다.

As the integration ratio and operating speed increase, it has become an important problem to estimate the dissipated power during the design procedure to reduce th TTM(time to market). This paper proposed a prediction model for the maximum dissipated power of a CMOS logic gate. This model uses a calculating method. It was constructed by including the characteristics of MOSFETs, the operational characteristics of the gate, and the characteristics of the input signals. As the construction procedure, a maximum power estimation model for CMOS inverter was formed first, And then, a conversion model to convert a multiple input CMOS gate into a corresponding CMOS inverter was proposed. Finally, the power model for inverter was applied to the converted result so that the model could be applied to a general CMOS gate. We designed several CMOS gates in layout level with $0.6{\mu}m$ design rule to apply both to HSPICE simulation and to the proposed models. The comparison between the two results showed that the gate conversion model and the power estimation model had within 5% and 10% of the relative errors, respectively. Those values show that the proposed models have sufficient accuracies. Also in calculation time, the proposed models were more than 30 times faster than HSPICE simulation. Consequently, it can be said that the proposed model could be used efficiently to estimate the maximum dissipated power of a CMOS logic gate during the design procedure.