Design of a low-power integer ALU on CMOS technology

A redução no consumo de potência em circuitos eletrônicos tem se tornado um dos requisitos mais importantes em projetos, especialmente com o recente aumento no número e na variedade de dispositivos móveis ou operados à bateria. Em tais dispositivos, o gerenciamento eficiente de energia é, muitas vezes, considerado mais importante que sua capacidade de processamento. Unidades lógico-aritméticas (ULAs) são componentes fundamentais em processadores, sendo responsáveis por executar as instruções que envolvem processamento numérico ou lógico. Normalmente, a ULA é o componente de maior consumo em um processador, o que a torna alvo de diversos estudos sobre técnicas para redução de consumo. Este trabalho apresenta um resumo sobre consumo de potência em circuitos digitais CMOS e as principais técnicas para sua redução, assim como os fundamentos para o projeto de ULAs, incluindo um estudo sobre algumas topologias para construção de somadores, deslocadores e multiplicadores e uma visão geral sobre a implementação de operações com números de ponto-flutuante e sobre a organização interna da ULA. É realizado o projeto de uma ULA de números inteiros de 16 bits em uma tecnologia CMOS de 0,35 \'mü\'m com aplicação de algumas das técnicas de redução de consumo apresentadas, que opera a uma frequência máxima de 212 MHz em tensão de alimentação de 3,3 V, consumindo, em média, 57 \'mü\'W e ocupando uma área de 0,121 \'MM POT.2\'. Este projeto é, ainda, comparado a uma ULA de referência, projetada na mesma tecnologia e com mesmas características funcionais, mas sem a utilização de quaisquer técnicas de redução de consumo.The power consumption reduction in electronic circuits has turned one of the most important design requirements, especially with the recent increase of the number and variety of mobile or battery operated devices. In such devices, the efficient energy management is, many times, considered more important than its processing capability. Logic and arithmetic units (ALUs) are fundamental components in processors, being responsible for executing the instructions involving logic and numeric processing. Usually, the ALU is the most power consuming component in a processor, which makes it the target of several studies about power reduction techniques. This work presents a brief about power consumption in CMOS digital circuits and the major techniques for its reduction as well the fundamentals of ALU design, including a study about some topologies for adders, shifters and multipliers and a general view about floating-point number operations and about ALUs internal organization. It is realized the design of a 16-bit integer ALU in a 0,35 \'mü\'m CMOS technology with the application of some presented power reduction techniques that operates on a maximum frequency of 212 MHz on 3,3 V supply voltage, consuming, on average, 57 \'mü\'W and occupying an area of 0,121 \'MM POT.2\'. This design is also compared to a reference ALU, designed on the same technology and with same functional characteristics, but without using any power reduction techniques