Ю. И. БОЧАРОВ, А. С. ГУМЕНЮК, А. Б. СИМАКОВ,
В. Е. ШУНКОВ, А. В. ПОЛЯКОВ, Е. А. БОРЗУНОВА
Д. Л. ОСИПОВ, В. Н. БОЙНОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ИССЛЕДОВАНИЕ АРХИТЕКТУРНЫХ И СХЕМНЫХ
РЕШЕНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА СНИЖЕНИЕ
ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ
”СИСТЕМЫ-НА-КРИСТАЛЛЕ” ДЛЯ КООРДИНАТНЫХ
ДЕТЕКТОРОВ
Представлены результаты работ по созданию аналого-цифровой “системы-на-кристалле” для детекторов физического эксперимента СВМ. Рассмотрены варианты архитектуры системы и методы снижения энергопотребления конвейерных АЦП, входящих в состав проектируемой БИС.
Сотрудники кафедр электроники и микроэлектроники МИФИ участвуют в работе международной группы, которая разрабатывает аппаратуру для готовящегося физического эксперимента СВМ (научный центр GSI, Дармштадт, ФРГ). Работа связана с созданием системы считывания сигналов координатных детекторов на базе кремниевых микрополосковых сенсоров. Разрабатываются 128-канальные БИС типа “система-на-кристалле” (СНК), содержащие аналоговые блоки предварительной обработки в каждом канале, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также цифровые узлы. Технология – КМОП процесс компании UMC с проектными нормами 0,18 мкм. Главное требование при проектировании СНК – достижение предельно низкого уровня потребляемой мощности (менее 10 мВт на один канал), а также обеспечение функционирования при большой поглощенной дозе ионизирующих излучений и устойчивость к сбоям при попадании отдельных частиц [1].
Основные направления работы: исследование различных архитектур систем считывания и сравнительная оценка их эффективности по критерию минимизации энергопотребления при заданном быстродействии; анализ методов снижения потребляемой мощности быстродействующих АЦП, разработка конвейерного АЦП с использованием схемных решений, обеспечивающих минимизацию потребляемой мощности; разработка цифровых узлов по стандартной технологии КМОП 0,18 мкм и технологий кремний на изоляторе, устойчивых к воздействию ионизирующих излучений.
Архитектура СНК, названная CBM-XYTER, характеризуется наличием в каждом канале пикового детектора и аналогового запоминающего устройства типа FIFO, включающего несколько ячеек памяти. Способ опроса каналов – последовательный с эстафетной передачей маркера, по принципу схожий с методом, используемым в сетях Token Ring [2].
Был предложен модифицированный (множественно-ассоциативный) вариант архитектуры, отличающийся способом подключения сенсоров к каналам считывания и учитывающий особенности пространственной локализации треков частиц в чувствительной зоне детекторов [3].
В данной работе рассматривается новый – альтернативный XYTER вариант архитектуры асинхронного типа. При таком построении отсутствует необходимость в наличии аналоговых ЗУ в каналах считывания. Вместо них используются цифровые ЗУ типа FIFO. Аналоговая и цифровая части СНК функционируют асинхронно – независимо друг от друга.
Приводятся результаты анализа эффективности различных методов построения малоразрядных (5-9 бит) АЦП с быстродействием 10 Мвыб/с, а также способов снижения энергопотребления АЦП конвейерного типа. Рассматривается вариант такого АЦП разрядностью 9 бит, в котором благодаря использованию эффективных схемных решений удалось снизить потребляемую мощность до 8,5 мВт (по результатам моделирования). Предварительная оценка мощности потребления 5-битного АЦП – 4 мВт. Занимаемая площадь – 0,15 мм2.
С учетом полученных оценок энергопотребления и занимаемой площади для АЦП трех типов: конвейерного, параллельного и циклического выполнено имитационное моделирование 128-канальной системы считывания и определена вероятность потери данных для различных вариантов архитектуры СНК.
Список литературы
1. , , Поляков методов построения и разработка КМОП БИС аналого-цифровой многоканальной «системы на кристалле». // Науч. сессия МИФИ-2007: Сб. науч. тр.: В 17 т. М.: МИФИ, 2007. Т. 1. С.111-112.
2. Armbruster T. CBM-XYTER design aspects. // Symposium and 10-th CBM Collaboration Meeting: Symp. Proc. Dresden, 2007.
3. , , Симаков множественно-ассоциативная архитектура cистемы-на-кристалле (СНК) для микрополосковых детекторов. // Науч. сессия МИФИ-2007. Научно-обр. центр CRDF. V Конф. Фундаментальные исследования материи в экстремальных состояниях. Физика ядра и элементарных частиц. М.: МИФИ, 2007, С. 60-62.
