数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF【参考】.doc

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： 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PR 4．? 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．? report_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2~5的步骤都可以省略，在利用compile_ultra进行优