数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF.doc

1、数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF孙轶群 sun.yiqun国民技术股份有限公司Nationz Technologies Inc摘要本文从CMOS电路功耗原理入手，针对不同工艺尺寸下数字集成电路的低功耗物理实现方法进行描述，并着重描述了Synopsys UPF（Unified Power Format）对低功耗设计的描述方法。UPF是Synopsys公司提出的一种对芯片中电源域设计进行约束的文件格式。通过与UPF格式匹配的Liberty文件，UPF约束文件可以被整套Galaxy物理实现平台的任何一个环节直接使用，并将设计者的电源设计约束传递给设计工具，由工具完成设计的实现工作，从而实现整套

2、数字集成电路低功耗物理实现的流程。1.0 概述本文从数字集成电路低功耗设计原理下手，对设计中低功耗的实现技术进行描述，包括完成低功耗设计需要的库资料以及常用EDA工具对低功耗技术实现的方法。2.0 CMOS电路的低功耗设计原理CMOS电路功耗主要分3种，静态功耗主要与工艺以及电路结构相关，短路电流功耗主要与驱动电压、p-MOS和n-MOS同时打开时产生的最大电流、翻转频率以及上升、下降时间有关，开关电流功耗主要与负载电容、驱动电压、翻转频率有关。做低功耗设计，就必须从这些影响功耗的因素下手。3.0 低功耗设计手段及Library需求低功耗的设计手段较为复杂，但对于不同的设计，或者不同的工艺，实

3、现的方法却各不相同。3.1 0.18um及以上工艺0.18um及以上工艺，在低功耗设计手段上较为有限，主要原因在于，静态功耗很小，基本不用关心。动态功耗方面，主要的功耗来自于Switching Power，即与负载电容、电压以及工作中的信号翻转频率相关。减小负载电容，就必须在设计上下功夫，减少电路规模。减少信号翻转频率，除了降低时钟频率外，只有在设计上考虑，能不翻转的信号就不翻转。至于电压，由于0.18um及以上工艺的阈值电压有一定的限制，因此，供电电压降低，势必影响工作频率。一般说来，在0.18um工艺下设计电路，主要有以下几种对低功耗设计的考虑。3.1.1 静态功耗可以忽略根据现有项目经验

4、可知，利用0.18um工艺Standard Cell设计出来的某芯片，数字逻辑加上Ram和Rom约40万门的电路，在完全静止的状态下，功耗约200uA左右（实测数据为400uA左右，包括了50uA Flash，30uA的PHY，113uA的VR，其他模拟部分漏电不大，因此这里估算为200uA）。这样的功耗，我们是可以接受的。如果非要减少静态功耗，则可以参照90nm工艺的设计思路，专门设计高阈值电压的MOSFET，或者专门设计切断电源所需的元件，但由此带来设计的复杂性，对0.18um工艺的影响还是很大的。如果设计规模没有那么大，且可以满足应用，往往还是可以忽略这个结果的。3.1.2时钟门控减小不

5、必要的动态功耗在寄存器的电路设计中，时钟输入端都会有一个反向器负载，就算输入端不发生变化，时钟的变化也会造成该反向器的变化，由此产生动态功耗。因此在如果该寄存器输入在某种条件下等于输出（即输出保持）时，可以将时钟门控住，以减少无效的时钟翻转。时钟门控的实现原理如下图所示：图 31 时钟门控原理图如上图所示，由于现在的设计方式，大多数是同步设计，设计人员只考虑数据路径，时钟往往是不做处理的。因此如果要实现门控，只需要在设计电路时提供可以识别的控制信号，在综合的时候，EDA工具就可以自动插入时钟门控。利用Design Compiler进行时钟门控单元插入，在读入设计以及时序约束后，需要做以下设置：

6、1 set_clock_gating_style，设置时钟门控单元插入的约束2 insert_clock_gating global，开始插入时钟门控单元；3 uniquify，将所有时钟门控单元做uniquify操作，以便后续PR4 hookup_testports -se_port ATPGSE_Pad -se_pin uPad/uATPGSE_Pad/C verbose，将所有时钟门控单元的scan_enable信号与测试用SE信号连接起来。如果没有ATPG，可以不用该句命令。5 propagate_constraints -gate_clock，将门控单元信息传递给整个电路。6 rep

7、ort_clock_gating可以查看时钟门控单元插入的情况，以便做电路修改，或插入时钟门控单元设置的修改。完成这些设置后，只需要和平常一样做系统综合即可。而在DC 2008.09版本以后，第25的步骤都可以省略，在利用compile_ultra进行优化时，第2、3步骤都会被自动执行，第4、5步骤会在insert_dft时被执行。形式验证工具Formality，在进行形式验证，需要设置verification_clock_gatie_hold_mode为low、high或者any，Formality就可以识别出时钟门控单元，并与RTL进行形式验证了。3.1.2.1. Clock Gating

8、 Cells这里所说的Clock Gating Cell是指专门设计的，集成式时钟门控单元（Integrated Clock Gating Cell，简称ICG），就是利用Latch和与门/或门实现的一个独立的Standard Cell，其优势在于以硬IP实现，时序易于掌握，物理实现中对布局布线有帮助。当然如果单元库中不提供专门的时钟门控单元，EDA工具也可以利用与门、或门、Latch甚至是寄存器等进行门控单元的实现，但效果都没有ICG好用。这里针对ICG的插入进行描述。图 31中的门控单元是一种典型的，利用负沿使能Latch以及与门组成的上升沿有效时钟门控单元，只有时钟下降沿后才会将时钟门控

9、住，保证不产生时钟毛刺。在Liberty格式文件中，某个Cell，需要有clock_gating_integrated_cell，才能让EDA工具认识到，该Cell是一种ICG。不同的clock_gating_integrated_cell的设置，需要在DC设置set_clock_gating_style时做相应的设置，才可能被使用到，下面列举一些常用的设置：同时，在ICG的不同Pin上，必须有以下属性，来告诉DC该Pin在ICG的使用中是什么功能（这里只列举常用的信息）：clock_gate_enable_pin该pin是时钟使能控制信号clock_gate_out_pin该pin是时钟输出

10、信号clock_gate_clock_pin该pin是时钟输入信号clock_gate_test_pin该pin是scan_enable或test_mode信号3.1.3 使用低电压的库进行设计由于动态功耗中，驱动电压对功耗的影响也相当大，因此，如果能有一套电压只有1V的标准单元库，进行设计，仍然可以达到降低动态功耗的目的。但电压的降低，势必引起元件延时的增加，且由于0.18um工艺下，阈值电压一般在0.4V左右，驱动电压的稳定性需求也相当大，否则，可能会导致致命性的错误。法国的Dolphin公司是一家致力于低功耗设计的IP提供商，在TSMC、SMIC等Foundry的0.18um工艺下都提供

11、了1V的逻辑单元库。下面列出Dolphin在SMIC 0.18um工艺下设计的一套1V逻辑单元库，和SMIC 0.18um工艺Metro标准单元库进行比较。比较中Metro标准单元库使用1个门的BUFX2M，而Dolphin使用最小的Buffer ni01d1进行比较。area(um*um)Average leakage(nW)Rise delay(0.04pf,ns)Typical Rise Energy(0.04pf,pJ)SMIC18 METROBUFX2M8.78080.0480.1822560.0266Dolphin 1V forSMIC 0.18umni01d110.34880.0

12、10.60.005由比较中可以看出，当电压下降到1V后，Rise Energy下降了80以上，除了由于电压下降引起的功耗降低外，Dolphin应该在电路结构等方面也做了处理，因此不但动态功耗减少了，而且静态功耗也减少了很多。但延时却大了很多，因此如果设计需要翻转的频率不高时，可以考虑利用低功耗的库进行设计，达到降低功耗的目的。如果速度要求很高，这个方法是不可行的。3.2 90nm及以下工艺从3.1.3可以知道，降低驱动电压，可以减少动态功耗，但由于电压降低，驱动能力也同时被减弱，因此元件延时较大。为了解决这个问题，工艺尺寸开始减小，以便在减小驱动电压的情况下，增加宽长比（aspect rati

13、o），以达到提高驱动电流的目的，保持元件延时。同时进入更低尺寸的工艺，氧化层厚度也随之减小，以便减少阈值电压，进一步提高速度。但因为氧化层厚度在减小，漏电电流也变大了。在90nm及以下工艺中，漏电电流开始被设计人员关注。下面对在90nm工艺下进行低功耗设计及实现的一些手段结合常用EDA工具进行描述。3.2.1切断未使能电路的电源减小不必要的静态功耗针对SMIC 0.18um工艺Metro标准单元库以及TSMC 90nmLP工艺高密度标准单元库（dbtcbn90lphdbwptc）进行比较，以一个门的Buffer来举例：Average leakage(nW)IncrementalTypical

14、Rise Energe(0.04pf,pJ)IncrementalSMIC18 METROBUFX2M0.048-0.0266-TSMC 90LP Biased WellBUFFD1BWP0.214345.83%0.00272-89.77%可以看出，90nm工艺下的静态功耗，已经是0.18um工艺下功耗的3.5倍左右了。根据3.1.1可知，利用 0.18um设计出来的，约40万门的电路，静态功耗，大约是200uA（360uW，0.18um工艺按1.8V供电电压计算）。如果同样规模的电路，放在90nm工艺下，则可能达到1.26mW左右，即1.05mA左右的静态功耗（90nm工艺按1.2V供电电压

15、计算）。既然，静态功耗这么大，那么在静止时，怎样才能将这些功耗减小呢？一个非常彻底的方法就是将静止状态电路的电源关断。为了关断电源，就需要在电源网络和电路之间建立一个电源控制电路，他们被称为电源开关单元（Power Switching Cell），在需要关断时，控制Power Switching Cell将电路的供电关闭，否则打开，提供电源。由于电源关断后的电路，其输出信号就没有电路驱动，对于其驱动的电路来说，就会出现输入浮空的状态。为了解决这个问题，就需要在关闭电源的电路输出端添加一个额外的保持电路，当其电源关闭后保持输出，而电源打开时，保持电路则表现的像一个Buffer，输出等于输入即可。

16、同时，如果被关闭电源地电路输入固定电压，也可能产生对地的电流，就需要一个特别的单元对该部分电流进行保护。这样的单元被称为隔离单元（Isolation Cell）。一般来说Isolation Cell的输出部分有较大的电容负载，也就是说Isolation Cell的延时将会比较大，对时序有一定的影响，是需要注意的。当然，对于寄存器来说，如果断电，则原有的数据就无法保存，重新打开电源后，就一定会出现原有数据丢失的情况。因此可以为一些必须保持数据的寄存器建立一个备份设备，电源关闭前，将寄存器的数值保存到备份设备上，电源打开后从备份设备上将数据重新写入寄存器中。这种备份设备叫做保存寄存器单元（Rete

17、ntion Register Cells）。对于Power Switching Cell、Isolation Cell以及Retention Register Cell，他们在上电之后是不能关闭的，因此使用的电源也和正常功能不同，这些单元被成为常开逻辑单元（Always-On Logic Cells）下面就各种不同的Cell，描述其原理、库中保存的信息、以及实现流程。3.2.1.1. Power Switching Cells原理上说，Power Switching Cell结构如下图所示：图 32 Power Switching Cell电路结构示意图从图中可以看到，Power Switch

18、ing Cell的设计原理非常简单，VDD的控制（被称为Header Switch），利用一个P-MOSFET来控制，当TURN_OFF信号为高时表示电路关闭，P-MOSFET关闭，GATED_VDD就不供电了，而TURN_OFF信号为低时表示电路打开，P-MOSFET打开，GATED_VDD等于VDD_SUPPLY。同理，利用一个N-MOSFET来控制VSS电源是否供电，被称为Footer Switch。一般来说，只需要使用Header Switch或者Footer Switch就可以实现电路关断，其中Header Switch结构漏电较小，而Footer Switch结构控制效率高，且面积

19、较小。虽然原理非常容易理解，但电路设计起来非常复杂，需要考虑控制单元对电路供电的能力，考虑不能产生过大的功耗，等等。这里不详细介绍控制单元的设计，详细设计方法可以参看Synopsys公司和ARM公司联合出版的“Low Power Methodology Manual For System on Chip Design.”。将Power Switch Cell设计成单独的器件，在实现时，控制某一块电路，叫做Coarse Grain Power Switch Cell。下面是一个Coarse Grain Power Switch Cell的Liberty格式描述library() #library

20、 描述开始lu_table _template ( template_name ) #电压状态template描述，dc_current组中会使用variable_1 : input_voltage;variable_2 : output_voltage;index_1 ( , );index_2 ( , );cell() #某个Power Switching Cell描述开始switch_cell_type : coarse_grain; #Switching Cell类型是coarse_grain，暂时只支持该类型pg_pin ( ) #申明电源和地的pg_pin格式pg_type : p

21、rimary_power | primary_ground; #他们是主电源和主地direction : input ; #方向是输入/* Virtual power and ground pins use “switch_function” to describe the logic toshut off the attached design partition */pg_pin ( ) #申明内部电源和地，这就是输出电源/地的端口pg_type : internal_power | internal_ground;direction: output; #方向是输出switch_funct

22、ion : “”; #定义开断控制功能，例如SLEEPpg_function : “”; #内部电源或地功能与输入的pg_pin一致，对于header switch来说就是premary_power的Pin Name，对于Footer Switch来说就是primary_ground的Pin Namedc_current ( ) #定义不同条件下输出Pin的稳定电流值，EDA工具利用该数据计算IR Drop，并进行Switch的优化。related_switch_pin : ; #定义控制开断的Pinrelated_pg_pin : ; #定义可以被控制开断的电源Pin，如果是Footer S

23、witch则是地Pinrelated_internal_pg_pin : ; #定义不会被关闭的内部电源Pin，Footer Switch则是地Pinvalues(”, ”); #定义不同状态下的该Cell输出的电流值pin (SLEEP) #Pin SLEEP定义开始，SLEEP只是举例direction : input;switch_pin : true; #表示该输入Pin是switch pin，控制电源/地的开断/* The acknowledge output pin uses “function” to represent the propagated switching sign

24、al*/pin() #定义应答输出Pin开始，完成开断后，与switch pin状态一致，有的Switch Cell可能没有该pinfunction : “”; #功能定义，应该与SLEEP状态一致power_down_function : “function_string”; #定义关断后电源状态，如对于Header switch来说可以是!VDD+VSS，而Footer Switch来说可以是!VSS+VDDdirection : output; /* end pin group */ /* end cell group */另外，为了更好的控制电源通断控制，可以专门设计带有电源控制的逻辑

25、单元，实现时，不需要添加额外的控制电路，这种电源开关结构叫做Fine Grain Power Switch Cell，结构简单，但每个单元都有一个控制器，面积比较大。下面是一个Fine Grain Power Switch Cell的Liberty格式描述cell() #Fine Grain Power Switch Cell都是某个Cell内的一部分，不单独出现is_macro_cell : true; #定义是不是macro cellswitch_cell_type : coarse_grain | fine_grain; #多数设置为fine_grainpg_pin ( ) #定义电源信

26、号，primary_是可以断开的，backup_是不会断开的。pg_type : primary_power | primary_ground | backup_power | backup_ground;direction: input | inout | output;/* This is a special pg pin that uses “switch_function” to describe the logic to shutoff the attached design partition */pg_pin ( ) #定义内部电源/地direction: internal |

27、input | output | inout;pg_type : internal_power | internal_ground;switch_function : “”;pg_function : “”;pin () direction : input | inout;switch_pin : true | false; #如果是switch pin就是truepin() direction : output | inout;power_down_function : ; /* end pin group */ /* end cell group */3.2.1.2. Isolation

28、Cells我们知道，在CMOS数字逻辑电路当中，当某根信号为VDD时，我们认为是逻辑1，如果为GND，则认为是逻辑0。但当某块电路不供电后，其输出就失去了驱动，输出网络如果没有其他信号驱动，其电平就会为高阻态，换句话说，就是不知道电压是多少。因此，在低功耗设计中，如果需要切断某块电路电源的话，则该电路的输出就会出现不定值，而与这些输出连接的电路也就出现输入浮空的状态，因此就需要在关断电路的输出及其连接的模块之间加一个Isolation Cell，在电源关闭时，将输出网络固定在某一个电平上，而打开电源后，该电路的输出等于输入，不影响电路功能。Isolation Cell可以利用逻辑门来实现，利用

29、与门实现可以使输出在关闭电源时为0，被称为Low Clamped Isolated Signal，利用或门实现可以使输出在关闭电源时为1，被称为High Clamped Isolated Signal，如下图所示，X是输出信号，“ISOLN”和”ISOL”分别是开关控制信号：图 33 逻辑门组成的Isolation Cell利用逻辑门组成的Isolation Cell，会产生延时，对速度很快的电路来说可能会有所影响，因此也可以利用一个N-MOS或者一个P-MOS以Pull-Up和Pull-Down电路实现，但这会产生多驱动问题，不是常用的方法。利用逻辑门组成的Isolation Cell是常见的Cell，下面所示是一个Isolation Cell的Liberty格式描述：cell(isolation_cell) is_isolation_cell : true ; #定义该Cell是isolation_cellpg_pin() #电源Pin定义pg_type : primary_power;pg_pin() #地Pin定义pg_type : primary_ground;pin (data) direction : input;isolation_cell_data_pin : true ; #被控制的输