雙閾值電壓與電源門控設(shè)計(jì)優(yōu)化規(guī)程辦法

1、精心整理雙閾值電壓與電源門控設(shè)計(jì)優(yōu)化流程方案使用雙閾值電壓門限（）的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與流程可以在高度自動(dòng)化的情況下達(dá)到功率和時(shí)序兩方面的優(yōu)異結(jié)果。這種雙VTH方法對(duì)VDSM （極深亞微米）芯片非常重要，此時(shí)降低的 VTH不光會(huì)改進(jìn)性能，而且還會(huì)增加靜態(tài)泄漏功率。事實(shí)上，泄漏功率會(huì)隨技術(shù)的升級(jí)呈指數(shù)增長(zhǎng)，在 65nm時(shí)達(dá)到芯片功耗的50%。泄漏功率的這種驚人增長(zhǎng)對(duì)大多數(shù)設(shè)計(jì)來(lái) 說(shuō)是不可接受的，無(wú)論它們是否采用電池供電。因此，大多數(shù)設(shè)計(jì)會(huì)借助于設(shè)計(jì)優(yōu)化流程，因?yàn)樗梢栽谛阅芎托孤┕β手g取得 折衷。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，有三種常見的流程可以用于性能與泄漏功率的優(yōu)化。這些流程的目標(biāo)是盡量減小泄漏、獲得最佳

2、性能、優(yōu)化芯片面積和上電模式下的工具運(yùn)行時(shí)間。由于在等待模式下仍會(huì)消耗泄漏功率，因此這些流程亦包括待機(jī)泄漏功率最小化的內(nèi)容。管理泄漏功率的三個(gè)流程雙VTH方法依賴于兩個(gè)庫(kù)的應(yīng)用，一個(gè)是低 VTH單元，它有較小的傳播延遲和較高的泄漏功率，另一個(gè)則是較高VTH的單元，它有較大的延遲和較小的泄漏。在關(guān)鍵時(shí)序路徑中用低VTH單元，而在非關(guān)鍵路徑中用高 VTH單元，這種設(shè)計(jì)優(yōu)化可以使速度最大化，泄漏功率最小化。這種優(yōu)化的效果很大程度上取決于對(duì)真正關(guān)鍵時(shí)序路徑的判定，以及對(duì)影響路徑的兩個(gè)庫(kù)時(shí)序的精確計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)所需的時(shí)序精度，對(duì)路徑延遲的計(jì)算要根據(jù)單元的布放和網(wǎng)絡(luò)走線信息將互連延遲考慮進(jìn)去。所以，在下列三

3、個(gè)流程中，強(qiáng)烈建議對(duì)二次通過(guò)混合型VTH設(shè)計(jì)優(yōu)化做物理綜合：溫小切割（min-cut）流程在三個(gè)流程中可實(shí)現(xiàn)最低的泄漏功率，但卻有較高的單元數(shù)目、動(dòng)態(tài)功率，以及較低的性能。溫大切割（max-cut ）流程可得到最高的性能和最低的單元數(shù)量及動(dòng)態(tài)功率，但在三個(gè)流程中泄漏功率最高。浸大切割I(lǐng)I流程是前兩個(gè)方案的妥協(xié)，在泄漏功率和芯片面積之間作了一個(gè)良好的折衷。該流程亦減少了工具運(yùn)行時(shí)間和 容量問題。精心整理第一個(gè)流程采用了一種迭代的最小切割算法，即一個(gè)組合電路中的所有單元都初始分配一個(gè)高的閾值電壓。由于高VTH晶體管的性能下降，這種設(shè)計(jì)通常會(huì)違反延遲約束。但初始設(shè)計(jì)會(huì)有最低的泄漏功率。下面算法會(huì)判斷

4、出一個(gè)最小的邊界子集，將閾值 降低以提高性能，并且滿足延遲約束要求?；谧钚?quán)重切割的最小切割圖形算法可判斷出這些邊界。這種切割相當(dāng)于關(guān)鍵時(shí)序路 徑改變?yōu)榈蚔TH而獲得最少的功率增長(zhǎng)。圖 1顯示了一個(gè)采用最小切割算法的雙 VTH分配實(shí)例。最小切割方法實(shí)現(xiàn)了一種以泄漏為中心的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和流程，生成的設(shè)計(jì)具有最低的泄漏功耗。圖2的右側(cè)描述了流程。經(jīng)過(guò)采用高VTH庫(kù)的第一次優(yōu)化后，設(shè)計(jì)通常會(huì)有違反時(shí)序的問題。同時(shí)用低VTH和高VTH單元庫(kù)作進(jìn)一步優(yōu)化可以判斷出所有關(guān)鍵的時(shí)序路徑，并用低 VTH單元替換這些路徑中的單元。綜合工具亦可以完成局部設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決替換低VTH單元后仍然存在的違反時(shí)序問題。與

5、迭代最小切割算法不同，迭代最大切割算法是最初將所有低VTH單元初步分配給一個(gè)組合電路。由于低VTH單元速度快，這種實(shí)現(xiàn)以正的余量滿足已定義的延遲約束，但付出的代價(jià)是較高的泄漏功耗。接著算法會(huì)判斷出一個(gè)最大的邊界子集，此時(shí)改變到高VTH可以降低泄漏功率，而不會(huì)違反延遲約束。最大切割圖算法可以識(shí)別出基于最大權(quán)重切割的這些邊界，改變到高VTH的結(jié)果是降低最大泄漏功率。 這種算法的實(shí)現(xiàn)描述在圖 1的左半邊，它與前一個(gè)流程基本相同， 只是低VTH庫(kù)和高VTH庫(kù)的使用順 序正好相反。第三種方法是迭代最大切割算法的一個(gè)變種（所以叫最大切割I(lǐng)I）,它在運(yùn)行時(shí)和容量上都有改進(jìn)。最大切割I(lǐng)I算法開始時(shí)將所有高 V

6、TH單元分配給設(shè)計(jì)，然后判斷出會(huì)違反時(shí)序約束的關(guān)鍵子電路。關(guān)鍵子電路中的所有單元都改 換為低VTH ,以滿足時(shí)序約束的要求。 接著，用常規(guī)的最大切割算法判別出可以容忍變回高VTH而不會(huì)出現(xiàn)延遲違規(guī)的那些邊界這樣，最大切割I(lǐng)I基本上只將最大切割算法用于關(guān)鍵的子電路，從而極大地降低了待優(yōu)化電路的規(guī)模。由于規(guī)模的降低，最大切割I(lǐng)I算法流程的實(shí)現(xiàn)與普通最大切割方法相比，可以減小芯片面積，并優(yōu)化運(yùn)行時(shí)間（圖3）。最大切割I(lǐng)I流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化是用高 VTH庫(kù)獲得最低的泄漏功耗。但是，通過(guò)降低時(shí)鐘頻率，可以得到有松弛時(shí)序約束的優(yōu)化結(jié)果，避 I I 1免處理那些只含高 VTH單元、不能滿足時(shí)序要求的關(guān)鍵路徑。經(jīng)

7、過(guò)這個(gè)初始優(yōu)化后，就可以將時(shí)鐘頻率調(diào)高至實(shí)際的目標(biāo)值，還原實(shí)際的時(shí)序約束，然后用低 VTH庫(kù)和高VTH庫(kù)作進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。電源門控在待機(jī)模式下，無(wú)論用何種優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了怎樣的優(yōu)化數(shù)量，設(shè)計(jì)仍會(huì)繼續(xù)消耗泄漏功率。降低待機(jī)模式下泄漏功耗的一個(gè) 方法是切斷邏輯區(qū)段的電源。由于可以關(guān)掉某些邏輯的供電，而讓其它邏輯保持工作狀態(tài)，因此必須將一個(gè)設(shè)計(jì)劃分為兩個(gè)以上的 供電島。于是，我們可以用電源門控方法，斷開某些島的供電。雖然這種電源門控方法可以實(shí)現(xiàn)極低的泄漏功率，但需要的方法很復(fù)雜。在一個(gè)設(shè)計(jì)流程中，需要完成下列特殊作業(yè): 精心整理/曾加睡眠晶體管，用于關(guān)斷對(duì)空閑電路的供電；汾配電源門控； ?（共電島

8、喚醒時(shí)鐘樹的綜合； ?在斷電期間保存一個(gè)子設(shè)計(jì)狀態(tài)； ?隔離供電島接口的信號(hào)； ?多供電島物理設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在門控中，睡眠晶體管的實(shí)現(xiàn)可以基于門、簇或電源域。在基于門控的實(shí)現(xiàn)中，可將睡眠晶體管插入到一個(gè)邏輯門中，控制對(duì)該門 的供電。這種方法的好處是可以根據(jù)門的開關(guān)電流和電源噪聲余量，每個(gè)門都有最理想尺寸的睡眠晶體管。另外，門中的虛擬電源 網(wǎng)絡(luò)很短，而且是隱蔽的，可以用標(biāo)準(zhǔn)綜合和物理設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)這些門。在另一方面，每個(gè)門都有一個(gè)睡眠晶體管，由此增加的面 積要多于簇和電源域的實(shí)現(xiàn)方法。并且，要將全局性的睡眠控制分配到每個(gè)門，這對(duì)物理設(shè)計(jì)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在基于簇的睡眠晶體管實(shí)現(xiàn)方法中，將一個(gè)設(shè)計(jì)中的多個(gè)

9、門組成簇。選擇一個(gè)最小的簇?cái)?shù)量和最低的同步開關(guān)電流。一個(gè)簇中 的各個(gè)門屬于同一個(gè)電源域，布局上互相靠近。每個(gè)簇都通過(guò)一個(gè)睡眠晶體管連接到一個(gè)虛擬的電源網(wǎng)上?；诖氐膶?shí)現(xiàn)通常比基 于門的實(shí)現(xiàn)占用更少的面積，但難點(diǎn)是獲得每個(gè)簇真實(shí)電流的估測(cè)值，從而實(shí)現(xiàn)精確的睡眠晶體管尺寸。此外，這些分別供電簇的 IR降也各不相同，從而產(chǎn)生性能差異。' X 1i在基于電源域的睡眠晶體管實(shí)現(xiàn)中，一個(gè)電源域中的門互相連接成一個(gè)虛擬電源網(wǎng)絡(luò)，該虛擬電源網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一定數(shù)量的睡眠晶體管連接到一個(gè)實(shí)際的電源網(wǎng)絡(luò)上?？梢杂闷胀ǖ碾娫匆?guī)劃、分析和優(yōu)化方法，像實(shí)際電源網(wǎng)絡(luò)一樣對(duì)虛擬電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。這 種睡眠晶體管的實(shí)現(xiàn)其面積

10、通常比基于門實(shí)現(xiàn)和簇實(shí)現(xiàn)的都要小，因?yàn)橐粋€(gè)電源域中的所有門都通過(guò)分布的睡眠晶體管網(wǎng)絡(luò)接收功率，網(wǎng)絡(luò)中所有的晶體管都共享和均衡電流的流出。由于虛擬接地網(wǎng)絡(luò)會(huì)降低設(shè)計(jì)的噪聲余量，造成功能性故障，因此必須仔細(xì)分 析一個(gè)電源門控設(shè)計(jì)的功率需求，以保證功率完整性。1 '無(wú)論采用何種睡眠晶體管方案，都要小心布放連接晶體管的電源門控信號(hào)，使得一個(gè)供電島的斷電不會(huì)阻擋控制信號(hào)通向其它供電島。一種特殊的緩沖樹生成法可以對(duì)建立和布放做出限制，以保證那些一直通電的電源與接地網(wǎng)絡(luò)得到隔離。同樣，要對(duì)時(shí)鐘 樹的綜合做出限制，確保不會(huì)出現(xiàn)時(shí)鐘分支通過(guò)一個(gè)供電島的情況，否則該島斷電時(shí)，下游的邏輯電路就無(wú)法獲得時(shí)鐘信

11、號(hào)。狀態(tài)保持與恢復(fù)電路被喚醒后需要一種恢復(fù)運(yùn)行的方法，它先記下一個(gè)供電島的邏輯狀態(tài)后才使之空閑，并在喚醒時(shí)恢復(fù)狀態(tài)。有三種類型的 狀態(tài)保持與恢復(fù)方法可供選用。第一種方法是依靠應(yīng)用軟件將特殊寄存器和內(nèi)存值寫到磁盤中儲(chǔ)存，然后才切斷電源的供電。在喚醒時(shí)，軟件將保存的狀態(tài)寫 回到設(shè)計(jì)中。雖然這種方法無(wú)需專用的硬件設(shè)計(jì)，但保持和恢復(fù)過(guò)程通常要花很長(zhǎng)時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中沒有實(shí)用性。另外，磁盤的 讀寫也要消耗大量功率，這可能足以抵償短期待機(jī)時(shí)節(jié)省的泄漏功率。精心整理第二種狀態(tài)保持與恢復(fù)的方法是用一個(gè)設(shè)計(jì)的掃描鏈，在斷電前將寄存器狀態(tài)轉(zhuǎn)到永續(xù)供電的內(nèi)存中，而在喚醒時(shí)再移回來(lái)。 雖然這種方法比前一種方法快得多，

12、但對(duì)很多前沿應(yīng)用來(lái)說(shuō)仍覺太慢，同時(shí)內(nèi)存訪問也會(huì)消耗很多能量。在第三種方法中，采用能夠有效地存儲(chǔ)和恢復(fù)狀態(tài)的保持寄存器和鎖存器。在各種保持電路中，采用了低功耗設(shè)計(jì)中常用的氣 球型電路。這種電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，在正常寄存器或鎖存器外增加一個(gè)影子鎖存器，用于保持?jǐn)嚯姇r(shí)的寄存器狀態(tài)。影子鎖存器由低泄漏 的高晶體管組成，像一個(gè)系住的氣球一樣通過(guò)單個(gè)點(diǎn)連接到普通寄存器或鎖存器。氣球型的保持電路有兩個(gè)保持控制信號(hào)，B1和B2。這兩個(gè)全局信號(hào)需要以相同方式分配到電源門控信號(hào)上，這樣保證信號(hào)路徑中的一個(gè)供電島中斷電源時(shí)，保持電路仍有有效的信號(hào)。島的隔離當(dāng)一個(gè)供電島斷電時(shí)，其輸出信號(hào)處于漂浮狀態(tài)。這些漂浮的信號(hào)可以影響到

13、設(shè)計(jì)中其它工作部分。如果是交換信號(hào)，則可能會(huì)出現(xiàn)故障。無(wú)論如何，漂浮的信號(hào)都可能在一個(gè)接收邏輯門引起很大的短路電流，造成功率消耗甚至器 件損壞。為防止這些問題，需要在斷電島和有電島之間的接口處增加隔離邏輯。實(shí)現(xiàn)隔離邏輯的方法有兩種：可以在斷電島上控制輸出 信號(hào)，或在有電島上控制輸入信號(hào)。與輸入信號(hào)隔離方法相比，隔離輸出信號(hào)通常需要較少的隔離單元，因?yàn)檩敵鼋?jīng)常要驅(qū)動(dòng)其它供電島的多個(gè)輸入。另外，永不 停電的供電島輸出端無(wú)需隔離單元，輸出隔離控制信號(hào)的分配也比較簡(jiǎn)單。另一方面，輸出信號(hào)隔離單元在待機(jī)模式下通常會(huì)消耗更多功率，因?yàn)樗鼈儽仨汄?qū)動(dòng)一個(gè)大的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，而輸入隔離單元?jiǎng)t只 需要短的局部網(wǎng)絡(luò)。此外

14、，輸入信號(hào)隔離邏輯可以用標(biāo)準(zhǔn)單元實(shí)現(xiàn)，但輸出信號(hào)隔離則必須使用定制單元。方法的選擇還與設(shè)計(jì)的電源管理結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于有一個(gè)或兩個(gè)門控供電島的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)隔離法一般是最佳選擇。對(duì)于 具有復(fù)雜電源管理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，輸出信號(hào)隔離法通常是更好的選擇。有多種門與晶體管組合可以實(shí)現(xiàn)電源門控信號(hào)下所需的上拉或下拉狀態(tài)。在布局和物理綜合期間，確保輸入隔離單元要位于供電島以內(nèi)，并靠近供電島的邊界。檢查物理綜合的結(jié)果，確保工具不會(huì)在隔離單元和供電島輸入之間插入緩沖。任何此類緩沖都會(huì) 破壞隔離單元的作用。精心整理供電島的設(shè)計(jì)優(yōu)化睡眠晶體管、狀態(tài)保持單元以及接口信號(hào)隔離等問題使設(shè)計(jì)優(yōu)化變得非常復(fù)雜。下列指南有助于得到好的結(jié)果：?在布局和物理綜合時(shí)使用嚴(yán)格的專用區(qū)域約束，確保供電島中的單元位于島內(nèi)。 這種布局亦需要與供電島相關(guān)的邏輯層次設(shè)計(jì)規(guī)范化。?將重構(gòu)邏輯時(shí)建立的新單元或供電島的局部緩沖分配給供電島，并施加約束，確保它們位于供電島內(nèi)