从4004到core i7——处理器的进化史-CPU构成零件-3

时间:2014-02-19来源:摘自《果壳小组》网

  有了上面这张图做基础,我们再次回到CMOS反相器的例子上。不同的是,这次我们关注的是其中的寄生参数

  注意,上面的图中一个反相器在驱动另一个。

  显然,在上面的图中,假设Vin突然从0->VDD,那么电容Cgd12,Cdb1,Cdb2,Cw,Cg3,Cg4都要充放电,而充放电的通路就是PMOS管M2。为了简便起见,我们将0.5VDD作为0和1的分界线,并且假设Vin是一个理想的阶跃信号,即从0->1不需要时间。我们发现,从Vin跳变开始,第二个反相器的输入端经过了这么长时间:

  0.69R(2Cgd12+Cdb1+Cdb2+Cw+Cg3+Cg4)

  才变到0.5VDD,其中R是M2的导通等效电阻。

  这个长长的表达式告诉我们:

  在动态情况下,CMOS电路的响应时有传输延时(propagation delay)的。输入的信息要等一段时间才能被正确地处理并且得到相应的输出。将多个CMOS逻辑门串连在一起,传输延时便会逐级积累。

  一般而言,传输延时大致等于电路工作的最短时钟间隔,即极限频率的倒数。

  就一般的深亚微米器件而言,这个时间在10^-11s数量级左右,即频率最高至100GHz左右。

  上面的图片简化一下,便得到了下面这张图片:

  这个电路绝不仅仅只是一个简单的例子,它告诉我们:

  电路的性能取决于MOS管导通电阻与MOS管寄生电容。

  这个事实是评价一切电路性能的基础。

  举个例子来说,由于有以下关系:

  又寄生电容在电压的小范围变化下基本不变,所以CPU在提升频率的同时一般要提升供电电压,以减小0.69RC提高极限频率。

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关键词: CMOS PUN VDD 电路 CPU

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