Register-transfer-level power profiling for system-on-chip power distribution network design and signoff

Abstract. This thesis is a study of how register-transfer-level (RTL) power profiling can help the design and signoff of power distribution network in digital integrated circuits. RTL power profiling is a method which collects RTL power estimation results to a single power profile which then can be analysed in order to find interesting time windows for specifying power distribution network design and signoff. The thesis starts with theory part. Complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) inverter power dissipation is studied at first. Next, power distribution network structure and voltage drop problems are introduced. Voltage drop is demonstrated by using power distribution network impedance figures. Common on-chip power distribution network structure is introduced, and power distribution network design flow is outlined. Finally, decoupling capacitors function and impact on power distribution network impedance are thoroughly explained. The practical part of the thesis contains RTL power profiling flow details and power profiling flow results for one simulation case in one design block. Also, some methods of improving RTL power estimation accuracy are discussed and calibration with extracted parasitic is then used to get new set of power profiling time windows. After the results are presented, overall RTL power estimation accuracy is analysed and resulted time windows are compared to reference gate-level time windows. RTL power profiling result analysis shows that resulted time windows match the theory and RTL power profiling seems to be a promising method for finding time windows for power distribution network design and signoff.Rekisterisiirtotason tehoprofilointi järjestelmäpiirin tehonsiirtoverkon suunnittelussa ja verifioinnissa. Tiivistelmä. Tässä työssä tutkitaan, miten rekisterisiirtotason (RTL) tehoprofilointi voi auttaa digitaalisten integroitujen piirien tehonsiirtoverkon suunnittelussa ja verifioinnissa. RTL-tehoprofilointi on menetelmä, joka analysoi RTL-tehoestimoinnista saadusta tehokäyrästä hyödyllisiä aikaikkunoita tehonsiirtoverkon suunnitteluun ja verifiointiin. Työ alkaa teoriaosuudella, jonka aluksi selitetään, miten CMOS-invertteri kuluttaa tehoa. Seuravaksi esitellään tehonsiirtoverkon rakenne ja pahimmat tehonsiirtoverkon jännitehäviön aiheuttajat. Jännitehäviötä havainnollistetaan myös piirikaavioiden ja impedanssikäyrien avustuksella. Lisäksi integroidun piirin tehonsiirtoverkon suunnitteluvuo ja yleisin rakenne on esitelty. Lopuksi teoriaosuus käsittelee yksityiskohtaisesti ohituskondensaattoreiden toiminnan ja vaikutuksen tehonsiirtoverkon kokonaisimpedanssiin. Työn kokeellisessa osuudessa esitellään ensin tehoprofiloinnin vuo ja sen jälkeen vuon tulokset yhdelle esimerkkilohkolle yhdessä simulaatioajossa. Lisäksi tässä osiossa käsitellään RTL-tehoestimoinnin tarkkuutta ja tehdään RTL-tehoprofilointi loisimpedansseilla kalibroidulle RTL-mallille. Lopuksi RTL-tehoestimoinnin tuloksia ja saatuja RTL-tehoprofiloinnin aikaikkunoita analysoidaan ja verrataan porttitason mallin tuloksiin. RTL-tehoprofiloinnin tulosten analysointi osoittaa, että saatavat aikaikkunat vastaavat teoriaa ja että RTL-tehoprofilointi näyttää lupaavalta menetelmältä tehosiirtoverkon analysoinnin ja verifioinnin aikaikkunoiden löytämiseen

Kandidaatintyö:elektroniikka ja tietoliikennetekniikka

Tiivistelmä. Tässä työssä tutkitaan ja tarkastellaan tietoliikennetekniikan perusteita simulointien ja mittausten avustuksella. Simulointiosuudessa tutustaan muutamaan yksinkertaiseen modulaatiomenetelmään ja tutkitaan tiedonsiirtokanavassa olevan AWGN-kohinan vaikutusta tiedonsiirron BER ja SER suorituskykyihin. Työssä tutustutaan myös Monte Carlo-simulointiin ja tarkastellaan satunnaisten lukujen luonnin vaikutusta simulaatiotuloksiin. Simulaatioita ajetaan MATLAB ohjelmistoympäristössä. Saadut simulaatiotulokset tukivat hyvin teoriaa. Mittausosuudessa tutustutaan tietoliikennetekniikan käytännön puoleen ja tehdään mittauksia laboratorioympäristössä laboratoriosta löytyvillä perusmittalaitteilla, joihin kuuluu mm. signaalianalysaattori, piirianalysaattori ja vektorisignaalianalysaattori. Mittaukset aloitetaan tarkastelemalla useiden eri taajuusalueilla olevia tietoliikennejärjestelmien spektrejä. Lisäksi RF-komponenteista mikserin ja erityisesti vahvistimen tärkeimmät perusparametrit ovat mittausten kohteena. Saatuja RF-komponenttien mittaustuloksia verrataan datalehdistä saataviin tuloksiin. Mittaustulokset vastasivat hyvin valmistajien datalehdissä ilmoittamia arvoja. Työssä valmistetaan myös oma antenni FabLab:ssa ja mitataan valmistetun antennin heijastumiskerroin. Lopuksi tutustutaan kohinaluvun laskemiseen Y-factor menetelmällä ja käytetään Y-factor menetelmää vahvistimen ja signaalianalysaattorin kohinaluvun määrittelyyn. Lisäksi harjoitellaan mittauksen automatisointia ohjaamalla mittauslaitteita MATLAB-skriptillä.Bachelor’s thesis in electronics and communications engineering. Abstract. This thesis studies the basics of telecommunication with measurements and simulations. Simulation part of the work focuses on few simple modulation methods and their properties and how AWGN-noise in transmission channel will affect systems BER and SER performance. Monte Carlo-simulations and effects of creating random values for simulation is also studied. Simulations are performed in MATLAB simulation environment. The simulation results corresponded the theory. Measurement part of this work deals with practical side of telecommunication and it contains measurements with basic equipment in telecommunication laboratory like signal analyser, network analyser and vector signal analyser. Also, multiple different telecommunication systems in wide frequency range are measured and observed. RF-components mixer and especially amplifier basic parameters are under investigation. During this process, measurement results are compared to components datasheet values. The measurement results matched to those presented in the data sheets. In this work milling machine is used create antenna from blank circuit board and then its reflection coefficient is measured. Finally, Y-factor method is studied and it’s used to measure amplifier and signal analyser NF. During Y-factor method, measure automation is also reviewed and MATLAB-script is created to control measurement devices