近日，中國科學(xué)院微電子研究所感知中心低功耗智能技術(shù)與系統(tǒng)團(tuán)隊在低功耗集成電路設(shè)計領(lǐng)域取得新進(jìn)展，設(shè)計出兼容近/亞閾值工作區(qū)的基礎(chǔ)電路單元，可廣泛應(yīng)用于低功耗智能計算芯片。

功耗已成為制約集成電路發(fā)展的瓶頸。近/亞閾值技術(shù)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(shù)字系統(tǒng)的功耗。近/亞閾值基礎(chǔ)數(shù)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(lǐng)先的零冗余動態(tài)功耗觸發(fā)器、pW級寬范圍電平轉(zhuǎn)換器及nW級高精度上電復(fù)位電路，可廣泛應(yīng)用于低功耗的智能計算芯片。針對傳統(tǒng)主從觸發(fā)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(shè)計的低功耗保持TSPC觸發(fā)器。該觸發(fā)器采用輸入感知預(yù)充策略，輔以浮動節(jié)點分析和晶體管級優(yōu)化，有效降低了觸發(fā)器的功耗。流片結(jié)果表明，該觸發(fā)器功耗相比于傳統(tǒng)主從觸發(fā)器降低了73%。針對傳統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換范圍窄、漏電大、不適用于近/亞閾值設(shè)計的問題，研究提出了一種低延遲低漏電電平轉(zhuǎn)換器。該電平轉(zhuǎn)換器基于電流鏡結(jié)構(gòu)，采用混合閾值電流鏡技術(shù)有效解決了切斷直流通路后的節(jié)點壓降問題，同時采用超截斷技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了電平轉(zhuǎn)換器的漏電。流片結(jié)果表明，該電平轉(zhuǎn)換器支持0.12V-1.2V的電壓轉(zhuǎn)換，漏電低至73.95pW。在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電和掉電時還需要一個復(fù)位信號將系統(tǒng)中的存儲單元設(shè)置為一個確定的狀態(tài)。為了保證近/亞閾值下數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，需要觸發(fā)閾值低、閾值偏差小、靜態(tài)電流小的上電復(fù)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(fù)位電路。該上電復(fù)位電路基于電流參考和電流比較器結(jié)構(gòu)，僅用10個晶體管即實現(xiàn)了高精度低功耗的上電復(fù)位電路。仿真結(jié)果表明，該上電復(fù)位電路在不同工藝角和溫度條件下，觸發(fā)電壓偏差僅為34mV，在0.5V的電源電壓下靜態(tài)功耗低至36nW。

相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《IEEE超大規(guī)模集成電路與系統(tǒng)匯刊》、《IEEE電路與系統(tǒng)匯刊Ⅱ》、《2021 IEEE國際電路與系統(tǒng)研討會》上。研究工作得到中科院、國家重點研發(fā)計劃、微電子所所長基金等的資助。