低功耗物理设计

复旦大学硕士学位论文低功耗物理设计姓名：郭小川申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：曾晓洋20070526第一章功耗的介绍１．１ＣＭＯＳ功耗介绍下图为典型ＣＭＯＳ数字电路反向器的功耗物理组成。

图一：反向器的功耗物理组成Ｃ～ｔＯＳ数字电路无论是在逻辑状态保持还是在动态的逻辑传输都要消耗功耗，其总功耗可以分为三个部分：电平转换功耗，内部功耗和漏电功耗。

Ｐ＝ＰＳ－＋Ｐ埘＋Ｐ＆（ｉ．１）艮。

电平转换功耗Ｐ“。

内部功耗凡漏电功耗４其中Ｖ”是Ｎ１１０Ｓ的门限电压，‰是ＰＭＯＳ的门限电压，这时在ｖ。

到地之间的ＮＭＯＳ和ＰＭＯＳ就会同时打开，产生从供电端直接到地的导电通路产生短路电流。

内部功耗还包括由于输入端信号翻转而输出端信号不变化而引起的只对器件内部负载充放电的功耗。

在深亚微米工艺工艺条件下。

器件内部各个节点对地电容在输入端信号翻转而输出端信号不变化时充放电引起的功耗之和通常小于总功耗的５％．１．１．３静态漏电功耗（ＬｅａｋａｇｅＰｏｗｅｒ）上面描述的是电路处于工作状态时产生的功耗，当电路通电，没有输入或非正常工作状态下电路依然消耗功耗，我们称之为静态漏电功耗。

它是由门电流和亚阈值电流两部分引起的。

亚阈值电流是当栅极输入电压‰小于阈值电压时产生的，它随温度的升高而增大，随阈值电压的降低而增大。

门电流是由于在ＭＯＳ管导通时栅极氧化层的降低导致的，它不受温度变化的影响，在９０纳米以下工艺，门电流导致的功耗占静态功耗的主导地位。

随着工艺的进步，静态功耗占芯片总功耗的比重逐步提高。

成为ＡＳＩＣ设计工程师关注的重点。

图二：静态功耗占总功耗的比重６２．２多阈值电压器件ＭＴＣＭＯＳ的应用２．２．１ＭＴ∞Ｓ降低静态功耗方法简介便携式电子设备要求系统在待机模式下具有极低的漏电功耗，比如掌上电脑或手机。

在９０纳米工艺技术以下，通过输入状态分配和输入管脚的交换的方式已经很难满足设计的需求，只有关闭在待机模式下的逻辑电路的电源供应才能得到超低的漏电功耗。

通过睡眠晶体管来实现供电电源的门控是现在设计者比较关注的课题。

这种方法又被称为地线门控，多阈值电压技术等。

其实现方法是在工艺技术支持双阈值电压技术的基础上，用低阈值电压晶体管实现器件逻辑功能，以保证期间的高工作频率，然后在器件与电源线或底线之间串行插入高阈值电压的晶体管开关。

如下图所示：图三：通过睡眠晶体管来实现供电电源的门控ＭＴＣＭＯＳ是通过高阙值晶体管开关的控制段进行有效地功耗控制。

在工作状态，功耗控制信号使能，开关打开，由于开关电阻很小，虚拟供电电压和实际供电电压基本相同：在待机模式时，功耗控制信号关闭开关，从而使漏电电流降低。

功耗控制开关可以加在电源端，也可以加在地端。

在实际应用中，由于ＮＭＯＳ开关同ＰＭｏＳ开关相比具有更小的尺寸和导通电阻的优点，所以通常插入ＮＭＯＳ开关．ＭＴＣＭＯＳ的应用可分为三种方法：基于门器件的应用（ｆｉｎｅｇｒａｉｎＭＴＣＭＯＳ）。

基于器件组的应用（ｃｏａｒｓｅｇｒａｉｎＭＴ０４０Ｓ）和基于电压区域的应用。

采用比较多的是前两种。

图四：睡眠晶体管在门器件及器件组中的应用２．２．１．１基于门的多阈值电压（ＦｉｎｅＧｒａｉｎＭｒ∞Ｓ）基于门的多阈值电压器件是在每个低闺值电压的器件供电端ｓｕｐｐｌｙｐｏｒｔ连接ＭＯＳ开关器件，当期间处于逻辑不需要工作期内，通过控制端口ｓｌｅｅｐｐｏｒｔ控制关闭开关器件。

基于门的多阈值电压器件具有以下优点：在器件不需要工作时关掉开关器件，从而关闭了低阈值电压器件的漏电流通道，降低了器件的漏电功耗。

可以优化睡眠控制器件的晶体管尺寸，可以基于器件模型进行精确的时序分析和漏电功耗分析，不需要进行额外的电压降分析。

并且可以通过使用普通的器件库的工具进行物理综合，布局和布线，对于设计者最初应用的设计流程，存在的时序分析优化及电压降分析等不会有太大的影响。

但是，由于基于门的多阈值电压器件在每个低阈值电压的器件内集成了一个睡眠晶体管，从而使得与基于器件组的多阈值相比，增加了器件的尺寸。

并且连接睡眠信号到每一个门单元也增加了物理布线的难度。

（ｄｏｎｔｕｓｅ）。

在将来，睡眠控制管脚将被定义为信号管脚，具有器件部分功能，在逻辑库的功能描述中将出现，将会对睡眠控制管脚进行时序约束。

对于基于门的多阈值电压的设计的网表综合阶段，现在支持的做法是采用没有睡眠控制管脚的逻辑库进行电路的网表综合。

很快可以支持采用睡眠控制管脚设置为不可使用的逻辑库：能够像双阈值电压器件的流程一样实现高速的带有睡眠管脚的单元期间与低速无睡眠管脚器件的相互调换：睡眠管脚将不做连接，在输出的网表中处于悬浮状态。

睡眠管脚的连接需要设计者手工定义添加进网表或手工连接；在器件布局时不需特殊的设置。

在将来，需要支持器件睡眠控制管脚的功能描述，在逻辑综合时自动生成睡眠管脚的连接关系。

但现在，大部分工作都需要设计者手工实现。

对于睡眠控制信号的连接，设计者需要在网表里手工连接，并在进行读入网表后的最初的芯片规划前手工创建睡眠信号的对外管脚，就像添加电源管脚一样，并直需要对睡眠控制信号网络进行多扇出网络的优化或进行虚假的时钟树综合，以便加入缓冲器间使得网络满足物理设计规则和同步各个控制端。

在布线结束后抽取电阻电容的寄生参数后，也需要手工的进行期间的替换或插入。

在将来，这部分手动的工作会有新的函数提供支持。

物理实现的原理图如下：图五：睡眠控制信号网络实现原理图现在手工操作中也可以采用部分工具命令来完成操作，具体包括：睡眠网络，物理端口，逻辑端１３，端１：３方向和端１：３连接关系的创建：１５理位置产生影响。

需要创建虚拟的地线，正常的单元器件连接到虚地，而睡眠开关通过金属带保证其能正常工作。

图六：基于器件组的多阈值电压方法设计原理图对于睡眠信号的连接有两种方法：使用电源金属带的方法连接，和采用时钟树综合的方法连接。

使用电源金属带的方法不能考虑到达各个开关的时间同步问题。

其睡眠信号连接如下图所示：图七；电源金属带的方法连接睡眠信号采用时钟树综合的方法连接是考虑到开关器件分散于芯片上，从睡眠信号输入端到各个接受端连线延时不等，所以采用时钟树综合的方法插入始终工作的缓冲器，原理如下图所示：图八：时钟树综合的方法连接睡眠信号３．３多供电电压技术的应用３．３．１多电压设计方法（Ｍｕｌｔｉ－Ｖｏｌｔａｇｅ）简介动态功耗直接与ＣＶ２ｆ有关（ｃ＝电容，Ｖ＝电压，ｆ＝频率）．动态功耗与电压的平方成正比，则电压的降低同电容和频率的降低相比对降低功耗有着更加显著的作用。

多电压设计是在当今的芯片设计中设计者比较有效降低动态功耗的设计方法。

多电压设计的芯片划分成几个区域，不同的区域器件工作电压不同，这些不同工作电压的区域被称之为Ｖｏｌｔａｇｅｉｓｌａｎｄ。

低工作电压区域工作频率较低，但可以有效降低区域内的动态功耗。

如下图所示：图十四：多电压工作区域所谓的电压区域其实就是一个物理的区域面积，将需要相同供电电压的单元器件集中在这个区域里面进行电源管理。

Ｓｙｎｏｐｓｙｓ通过单元器件的操作环境作为划分电源区域的一个依据。

操作环境（ｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）操作环境指的是标准单元的工艺、工作电压、温度情况（ＰＶＴ：ｐｒｏｃｅｓｓ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ），是一个逻辑概念，在做时序分析对用来计算一个标准单元的时间延迟，和一个标准单元的物理性质（大小）没有关系。

隔离的单元器件（Ｍｖ－ｌｓｏ）：在一些芯片设计中，所有的器件供电电压是～样的，但一些模块在某些时候可以被关闭供电电源。

这时被关闭的模块的输入输出信号需要被隔离保存，这些信号的隔离是通过ＭＶ—ＩＳＯ来实现的。

所有的器件工作电压一致，但静态时序分析不会考虑穿过关闭的模块边界的路径。

电压转换器件ｌｅｖｅｌｓｈｉｆｔｅｒ（肌Ｌｓ）：在一些芯片设计中，具有不同的功能的模块工作要求不同，他们不会在芯片工作模式中被关闭电源供应，但可以根据工作频率的不同而采用不同的工作电压。

在不同的功能模块之间需要传递信号，信号的传递是通过电压转换器件来实现的。

在静态时序分析中，穿过不同工作电压区域的路径需要被分析，电压转换器件的模型定义了多种工作环境，它的器件延时会被计算在内，位于不同工作区域内的路径采用不同的工作条件。

带有使能端的电压转换器件：ｅｎａｂｌｅｌｅｖｅｌｓｈｉｆｔｅｒ（Ｍ卜ＥＬＳ）：这种类型的器件可以在不同的电压区域间传递信号，又由于使能信号的控制可以隔离信号。

这种器件用于存在多个工作电压区域，同一模块又有多种工作模式的芯片中。

利用ｌｅｖｅｌｓｈｉｆｔｅｒ在不同的电压区域间传递信号：图十六：电压转换器件在多电压区域的应用图十七：多电压区域放置效果图４）运用ＪｕｐｉｔｅｒＸＴ对不同的电压区域设置电源网络：图十八：基于多电压区域得到的电源网络模拟图５）根据用户设定的约束条件，最后得到的电源网络图如下图十九：基于电压区域的电源网络图在芯片规划阶段，应用ＪｕｐｉｔｅｒＸＴ规划Ｐｌａｎｇｒｏｕｐ来做不同电压区域的模型，并进行电源线的布置和分析，并对电压区域进行调整。

具体流程包括Ｐｌａｎｇｒｏｕｐ的创建，放置器件的Ｒｏｗ的调整编辑，器件虚拟布局，然后是Ｖｏｌｔａｇｅａｒｅａ的确立和电源线的规划分析。

如果采用ＩＣＣ进行ｂｌｏｃｋｌｅｖｅｌ的设计对系统进行ｆｌａｔｔｅｎ流程设计时，可以采用下面的流程：ＭＶＦｌｏｗｉｎＩＣＣ图二十：多供电电压技术在ｓｙｎｏｐｓｙｓ中的流程图采用ＩＣｅ进行Ｌｅｖｅｌｓｈｉｆｔｅｒ的插入。

需要采用多个具有相同器件名称的ＮＬＤＭ模型的参考库进行优化，在优化使工具会针模块工作环境的设置从相应的库中选择器件．用于电压区创建的指令有：ｃｒｅａｔｅ＿ｖｏｌｔａｇｅａｒｅａ；ｒｅｐｏｒｔ＿ｖｏｌｔａｇｅ＿ａｒｅａ；ｒｅｍｏｖｅ＿ｖｏｌｔａｇｅａｒｅａ创建电压区周围的Ｇｕａｒｄｂａｎｄ和ｍｏｖｅｂｏｕｎｄ的指令有：ｃｒｅａｔｅｖｏｌｔａｇｅ＿ａｒｅａ—。

ｇｕａｒｄ＿ｂａｎｄｘ‘’ｇｕａｒｄ＿ｂａｎｄ＿ｙｃｒｅａｔｅ＿ｂｏｕｎｄ—ｃｏｏｒｄ｛．．·．）＜ｃｅｌｌ—ｌｉｓｔ＞图二十一：常规方法构件的电源网络很难得到好的ＩＲＤｒｏｐ＝１２４ｍｖ运用ＪｕｐｉｔｅｒＸＴ的自动综合来构建一个电源网络：根据用户设置的约束条件，在几乎相同的布线资源下用ＪｕｐｉｔｅｒＸＹ综合命令自动得到的电源网络几乎一次就能满足用户电压降的要求：图二十二：自动综合所得到电源网络：ＩＲＤｒｏｐ＝６８ｍｖ３ｌＰＮＡ＆ＰＮＳ在当前的ＪｕｐｉｔｅｒＸＴ版本可以提供的应用包括：１．支持规则或者不规贝｜ｊ形状的供电网络；２．支持基于功能模块的电网构建；３．支持基于电压区域的电网构建；４．支持对已存在电网的改造；５．支持ＰｏｗｅｒＣｏｍｐｉｌｅｒ和ＰｒｉｍｅＰｏｗｅｒ提供的功耗分配文件；４．３．１多金属层的电网综合：在多金属层的电网综合应用中，金属层一般采用从低到高的顺序进行综合。