A reduced supply voltage must be accompanied by a reduced threshold voltage, which makes this approach susceptible to process variation in transistor parameters, as well as resulting in increased subthreshold leakage. We propose a new adaptive body biasing scheme, based on a lookup table for independent control of multiple functional blocks on a chip, which controls leakage and also compensates for process variation at the block level. An adaptive body bias is applied to blocks in active mode and a large reverse body bias is applied to blocks in standby mode. This is achieved by a central body bias controller, which has a low overhead in terms of area, and standby to active transition time. The problem of optimizing the required set of bias voltages is formulated and solved. A design methodology for semicustom design using standard-cell elements is developed and verified with benchmark circuits.
최근의 디지털 회로에서 가장 큰 이슈는 더 많은 기능을 단일 칩에 집적하여 고성능으로 동작시키면서 동시에 전력 소모를 최소화하는 것이다. 전력 소모를 감소시키기 위해 반도체 공정의 발달과 함께 동작 전압이 계속 낮아지게 되는 데 이것은 누설 전류의 증가와 반도체 공정의 불완전성에 따른 문턱 전압의 불균일성 및 변화에 의한 속도의 저하, 두 가지 문제를 야기한다. 이 두 가지 문제를 해결하고자 어댑티브 바디 바이어싱 방법이 고안되었다.
CMOS 회로에 사용되는 트랜지스터의 바디 단자와 소스 단자 사이에 역 바이어스를 가하게 되면 문턱 전압이 높아져서 회로의 속도가 느려지면서 누설 전류는 감소하게 되고, 정 바이어스를 가하게 되면 반대로 문턱 전압이 낮아지게 된다. 어댑티브 바디 바이어싱 방법은 이러한 성질을 이용해서 누설 전류 문제와 반도체 공정상에 나타날 수밖에 없는 문턱 전압의 불균일성 문제를 동시에 해결한다.
하지만 피드백을 통한 제어를 하는 종래의 어댑티브 바디 바이어싱 회로의 문제점은 모니터링 회로와 바이어스 발생기가 차지하는 면적이 너무 크고 또한 바이어싱에 걸리는 시간이 크다는 점이다. 따라서 종래의 어댑티브 바디 바이어싱 회로는 대단히 큰 CMOS 회로에는 사용될 수 있으나 칩 내부의 작은 매크로 블록들에 독립적으로 사용될 수는 없다. 또한 여러 매크로 블록들을 독립적으로 바이어싱하기 위해서는 매크로 블록 개수만큼의 모니터링 회로와 바이어스 발생기가 필요하므로 오버헤드가 지나치게 커지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 집적회로로 구현될 경우 면적이 작고 특히 여러개의 매크로 블록들에 공유되고 여러개의 매크로 블록들의 바디 전압을 각각 다르게 독립적으로 제어할 수 있는 바디 바이어싱 제어회로와 제어방법을 제공하고자 한다.
제안하는 바디 바이어싱 제어회로에서는 각 매크로 블록의 동작상태에 적절한 바디 전압을 나타내는 인덱스들을 룩업 테이블에 기록하고 상기 기록된 인덱스들 중 대응되는 인덱스를 수신하여, 대응되는 매크로 블록의 동작상태에 적절한 바디 전압을 생성하며 생성된 바디 전압을 대응되는 매크로 블록에 제공하게 된다. 매크로 블록이 동작할 시에는 그 블록에 맞는 바디 전압을 제공하여 원하는 동작 속도를 얻어내고, 매크로 블록이 동작하지 않을 시에는 아주 큰 역 바이어스를 제공해 누설 전류를 줄이게 된다. 본 연구의 회로를 통해 위의 동작을 빠른 시간에 작은 추가 면적으로 할 수 있다.
