저전럭 TSV I/O 인터페이스를 위한 프리코딩 기법
As big data-based application developed, the demand for High-bandwidth memory(HBM) increased, and the development of Through silicon via(TSV) technology enabled, this HBM I/O power has increased power consumption due to a large number of input/output(I/O). As a result, the power of each I/O became important and this study conducted a study to reduce the power in the transceiver.
Conventional full swing inverter-based transceivers consume large power to drive the heavy load TSV channel, and the result of testing each block specific power portion of the transmitter show that the power consumption of the driver is the largest, followed by block 2:1 multiplexor(MUX).
In this study, a single-ended driver that does not consume static power in order to reduce power consumption in the transceiver. Also to improve power consumption N-over-N(NN) driver is used while simultaneously performing 300mV low-swing, and 2:1 MUX alternating to time-interleaved precoding method based on XOR gate.
To use the proposed transmitter, the receiver group is designed to properly amplify the signal that entered the low-swing to full-swing signal and restore the converted signal to the original signal via a subsequent toggle decoder.
The final simulation of the transceiver showed that energy-effectiveness was measured at 138 pJ/bit at 5Gb/s data rate and 173 pJ/bit/pF at energy efficiency considering the capacitance 100pF and stack number of emulated TSV channels.
Big data 기반의 어플리케이션이 발전함에 따라 High-bandwidth memory(HBM)에 대한 요구가 증가하였고, Through-silicon via(TSV) 기술의 개발에 따라 이 HBM을 달성 할 수 있게 되었다. 하지만 이 HBM은 수많은 Input/output (I/O)로 인하여 power 소모량이 증가하게 되었다. 이에 따라 각 I/O의 power가 중요하게 되었으며 본 연구는 transceiver에서의 power를 줄이기 위한 연구를 진행하였다.
기존의 full swing 인버터 기반의 transceiver의 경우 heavy load인 TSV 채널을 driving하기 위해서 큰 power를 소모하며 또한 transmitter의 block별 power portion을 확인해본 결과 드라이버의 power 소모가 가장 크며 그 다음으로 큰 비중을 차지하는 block이 2 : 1 멀티플렉서임을 확인하고 이를 개선하기 위한 연구가 진행되었다.
본 연구에서는 transceiver의 power 소모를 줄이기 위해 static power를 소모하지 않는 single-ended 드라이버를 사용하면서 동시에 300mV low-swing을 하도록 N-over-N(NN) 드라이버를 사용하여 드라이버 단의 power 소모를 개선하고 2 : 1 멀티플렉서를 대신하여 time-interleaved하게 들어온 2개의 signal을 XOR gate 프리코딩 방식을 통하여 2 : 1 멀티플렉서를 사용하지 않으면서 동시에 serializing을 할 수 있도록 설계하여 transmitter단의 power를 대폭 개선할 수 있었다.
제안한 transmitter단을 사용하기 위해선 receiver단에서는 low-swing으로 들어온 signal을 제대로 증폭시켜 full swing signal로 전환하고 전환된 signal을 이후 toggling 디코더를 통해 원신호로 복구시키도록 설계하였다.
해당 transceiver를 통해 최종적으로 시뮬레이션 결과 energy-efficiency는 5Gb/s의 data rate에서 138pJ/bit로, emulate 된 TSV 채널의 커패시턴스 100pF 및 stack 수를 고려한 energy efficiency의 경우 173pJ/bit/pF로 측정되었다.
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