능동 인덕터로 구성한 전하 회수 회로를 위한 전원 클럭 발생기

Abstract

오늘날 VLSI 시스템에는 고성능과 저전력이라는 두 가지 주제가 일반적으로 다루어 진다. 시스템의 동작 주파수가 증가함에 따라 시스템의 높은 성능을 위해 시스템의 소비 전력 또한 증가하였다. 이러한 문제를 해결하고 저전력 시스템을 구성하기 위해 voltage scaling 기법이 사용되었지만, 공급 전압이 문턱 전압 이하로 scaling되면서 subthreshold leakage energy가 크게 증가하기 시작했다. 고성능, 저전력을 갖는 시스템을 설계하기 위해 많은 연구들이 진행되었으며 그 중 한 가지로 전하 회수 회로가 연구되었다. 전하 회수 회로는 기존의 CMOS 회로에 비해 에너지 소비 효율이 높다는 장점을 가지고 있다.

전하 회수 회로의 경우, 효율적인 전하 회수 동작을 위해 ramping되는 전압을 회로의 전원 전압으로 사용한다. 전원 전압의 점진적인 변화로 인해 낮은 값의 전류 흐름이 형성되고, 따라서 전체 시스템의 에너지 소모가 줄어들게 된다. 또한 이 전하 회수 회로에 사용되는 전원은 회로에 전하를 공급하는 역할 뿐 아니라, 회로를 구성하는 게이트들의 동작을 동기화 시키는 역할도 하기 때문에 전원 클럭으로 불린다. 전원 클럭을 만드는 전원 클럭 발생기에는 크게 step wise charging 방식과 resonant charging 방식이 있는데, 정현파에 가까운 전압을 만드는 LC 공진을 이용한 resonant charging 방식이 전자의 경우보다 간단하고 효율적이기 때문에 주로 사용된다. LC 공진을 이용한 전원 클럭 발생기는 수동 인덕터의 인덕턴스를 L 값으로, 전원 클럭 라인과 전원 클럭 발생기에 연결된 회로의 기생 capacitance를 C값으로 이용하여 클럭의 주파수를 결정한다. 하지만 수동 인덕터를 사용하는 경우, 사용한 수동 소자의 값에 의해 클럭의 주파수가 결정되고, 이 주파수를 조절하기 위해 injection-locked 소자를 이용하는 방법이 사용하지만 이 경우 레퍼런스 클럭에 따른 지터 노이즈 문제, 한 쌍의 클럭의 위상 차 문제 등이 발생할 수 있는 단점이 있다. 이러한 문제의 대안으로 능동 인덕터 만을 사용하는 방법이 있지만, 사용된 능동 인덕터는 수동 인덕터와는 달리 에너지 저장이 일어나지 않는 단점이 있다.

본 논문에서는 위와 같은 문제점들에 대한 대안으로 능동 인덕터와 수동 인덕터를 병렬로 결합한 인덕터 구조를 적용한 전원 클럭 발생기를 제안한다. 제안한 회로는 0.18µm CMOS 공정에서 설계하였고 또한 16bit Carry Lookahead Adder를 전하 회수 회로의 일환인 Subthreshold Boost Logic으로 구성하여 그 동작을 확인하였다.