UPF低功耗设计

新思科技Thursday,November18,2010基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程Low-powerImplementationFlowBasedIEEE1801(UPF)郭军,廖水清,张剑景华为通信技术有限公司[e-mail]@[e-mail]ionisbecominganincreasinglyimportantaspectofASICdesign.Thereareseveraldifferentapproachesthatcanbeusedtoreducepower.However,itisimportanttousetheselow-powertechnologymoreeffectivelyinICdesignimplementationandverificationflow.Inourlatestlow-powerchip,wecompletedfullimplementationandverificationflowfromRTLtoGDSIIsuccessfullyandeffectivelybyadoptingIEEE1801UnifiedPowerFormat(UPF).ThispaperwillfocusonUPFapplicationindesignimplementationwithSynopsyslowpowersolution.Itwillhighlightthathowtodescribeourlow-powerintentusingUPFandhowtocompletethedesignflow.Thispaperfirstillustratescurrentlow-powermethodologyandUPF’sconcept.Then,itdiscussedUPFapplicationindetail.Finally,itgivesourconclusion.Keywords:IEEE1801,UPF,Low-Power,Shut-Down,PowerGating,Isolation,IC-Compiler摘要目前除了时序和面积，功耗已经成为集成电路设计中日益关注的因素。当前有很多种降低功耗的方法，为了在设计实现流程中更加有效的利用各种低功耗的设计方法，我们在最近一款芯片的设计实现以及验证流程中，使用了基于IEEE1801标准UnifiedPowerFormat（UPF）的完整技术，成功的完成了从RTL到GDSII的全部过程，并且芯片制造回来成功的完成了测试。本文就其中的设计实现部分进行了详细探讨，重点介绍如何用UPF把我们的低功耗意图描述出来以及如何用Synopsys工具实现整个流程，希望给大家以启发。本文先介绍目前常用的低功耗设计的一些方法特别是用power-gating的方法来控制静态功耗以及UPF的实现方法，然后阐述UPF在我们设计流程中的应用，并在介绍中引入了一些我们的设计经验，最后给出我们的结论。关键字：IEEE1801,UPF，低功耗,电源关断，Power-Gating,Isolation,IC-Compiler1.简介1.1深亚微米设计面临的挑战随着工艺特征尺寸的缩小以及复杂度的提高，IC设计面临了很多挑战：速度越来越高，面积不断增大，噪声现象更加严重等。其中，功耗问题尤为突出，工艺进入130nm以下节点后，单位面积上的功耗密度急剧上升，已经达到封装、散热、以及底层设备所能支持的极限。随着工艺进一步达到90nm以下，漏电流呈指数级增加（如图１所示），在某些65nm设计中，漏电流已经和动态电流一样大，曾经可以忽略的静态功耗成为功耗的主要部分。功耗已成为继传统二维要素(速度、面积)之后的第三维要素。图1:静态功耗与工艺特征尺寸的关系另外，目前飞速发展的手持电子设备市场，为了增强自身产品的竞争力，也对低功耗提出了越来越高的要求；其次散热问题、可靠性问题也要求IC的功耗越小越好；最后全球都在倡导绿色环保科技理念，保护环境，节约能源。这些都要求IC设计时必须采用低功耗技术，以有效应对这些挑战。1.2目前低功耗设计常用的方法如图２所示，影响功耗的因素有电压、漏电流、工作频率、有效电容等。可以通过降低工作电压、减少翻转负载以及降低电路翻转率等来降低动态功耗；通过减少工作电压以及减少漏图2:影响功耗的因素电流来降低静态功耗。当前，业界采用了各种方法来降低芯片的动态功耗和静态功耗。如图3所示，传统的低功耗技术有时钟关断（Clock-Gating），多域值电压库（Multi-thresholdlibraries）等；较新的技术有多电压（Multi-Voltage），电源关断（MTCMOSPowerGating），带状态保持功能的电源关断（PowerGatingwithStateRetention），动态电压频率调整（DynamicVoltageandFrequencyScaling），低电压待机（Low-VddStandby）等。图3:低功耗技术示例1.3控制静态漏电的方法1.3.1电路优化（Gate-levelOptimization）在设计实现过程中，自动化的综合和布局布线工具可以根据电路的时序特征，来综合优化每条路径中用到的所有标准单元的时序，面积以及功耗。根据负载将非关键路径中的标准单元切换到具有较小驱动能力的单元，由于输出电容减小，可以减小动态功耗；同时，由于标准单元MOS管和电容变小，静态漏电流也同时减小。除了变化驱动能力之外，还可以通过优化电路中的逻辑单元、移动单元物理位置等方法来达到降低功耗的目的。1.3.2多域值电压库(Multi-Threshold)如图４所示，高域值电压的标准单元漏电流小但速度慢，低域值电压的标准单元则速度快但漏电流大。所以采用多域值电压库作为设计实现的目标库，在设计中尽可能多地用高域值电压的标准单元，仅在关键路径上为了满足时序要求采用低域值电压的标准单元，这样就可以最大限度地减小标准单元的漏电流，从而降低静态功耗。图4:漏电流、单元速度与阈值电压三者之间的关系1.3.3电源关断(Power-Gating)芯片中某些模块在不工作时，可以关断其电源，在需要工作时，再将其电源导通，这就是电源关断技术。它可以使电源关断区域的漏电流降至接近零，极大的减小芯片的静态功耗。现在电源关断的技术也很多，有片内关断、片外关断。顾名思义，片外关断就是在芯片外部通过切断电源来关断芯片内部的某些模块。片内关断又分为精细关断(fine-grain)和粗糙关断(coarse-grain)，精细关断需要特别库的支持，可以实现每个标准单元的精细关断；而粗糙关断只需要一些门控单元就可以实现对某些模块的电源或地的控制，如图５所示，用pmos来控制电源，用nmos来控制地。图5:电源关断(Power-Gating)的原理图2.UPF的设计实现流程IEEE1801标准UnifiedPowerFormat（UPF）是一个真正意义统一的，被广泛采用的低功耗实现标准。它用一些标准的语句描述用户的低功耗设计意图(PowerIntent)。如图６所示，图6:UPF的应用流程有了这样一个统一的UPF文件，逻辑综合、物理实现、仿真验证、等效性检查以及最后的sign-off流程就可以按照UPF中对低功耗设计意图的描述来完成整个IC设计实现验证流程。这样贯穿于整个流程的低功耗意图来源于同一个文件，这种一致性可以大大降低低功耗设计的风险性。并且UPF对低功耗设计提供了开放的，多厂商工具支持的流程和解决方案。众多支持UPF标准的EDA供应商的产品证明了它是一个互操作性强的标准。2.1Synopsys基于UPF的低功耗设计流程Synopsys公司提供了完整的基于UPF的低功耗综合、物理实现和验证流程，如图7所示。该流程始于寄存器传输级（RTL）描述的逻辑设计，加上一个独立的描述低功耗设计意图的UPF文件。RTL和UPF描述分别放在独立的文件中，使他们可以单独维护和修改。在这个示例中，最初的UPF文件标志为UPF。图7:UPFFlowWithSynopsysToolsDesignCompiler读入RTL和初始UPF描述文件，基于它们综合出门级网表并产生一个更新了的UPF文件，这个DesignCompiler输出的UPF文件在示例图中标志为UPF’。UPF’文件中包含了原始UPF文件的内容，并添加了综合时加入的对某些特殊cell（比如isolationcells、levelshifters）的电源和地的连接关系。综合输出的门级网表已经被工具根据UPF的相应描述插入了一些低功耗所需的特殊电路单元，比如Level-Shifter，Isolationcells，RetentionRegister等。ICCompiler读入综合输出的门级网表和UPF’描述文件，基于它们进行物理实现，包括：布局和布线以及电源关断特殊单元(Power-Gatingcell）的插入、摆放和控制信号线的连接等步骤。输出一个新的门级网表，一个包括所有cell的电源和地连接关系的网表（俗称pg网表），以及一个更新了的UPF文件，标志为UPF’’。UPF’’文件包含了UPF’的内容，并添加了在物理实现阶段对低功耗电路结构的改变，比如添加了PowerSwitches（俗称MTCMOS）的连接关系。这个flow中产生的数据可以用于做功能仿真（利用MVSIM、VCS），插入的低功耗单元的正确性检查（利用MVRC），形式验证（利用Formality），以及时序功耗检查（利用PrimeTime-PX）和电压降（IR-Drop）（利用PrimeRail）的验证。VCS仿真器和MVSIM多电压仿真工具可以在几个阶段用来做多电压的功能仿真：RTL级，综合后加入了低功耗相关器件（比如Isolationcell）的门级，以及PR之后加入了PowerSwitches的门级。MVRC用于检查多电压设计的规则是否正确实现，包括电源连接关系、电源结构、电源一致性等等，也适用于流程中的各个步骤。PrimeTime读入DC或ICC输出的门级网表以及对应的UPF文件。它利用UPF文件中的信息建立一个虚拟的电源网络模型，并将电压值反标到每个器件的电源端口，进行带电源信息的时序检查。PrimeRail是基于带UPF信息的版图进行电压降以及电迁移的分析。如果设计中有电源关断单元，它还可以分析相关关断电路的瞬态电流以及动态的电压降分布。来帮助判断这些电源关断单元是否插入合理以及是否需要插入De-cap单元。2.2UPF所需要的特殊单元库基于UPF的设计流程与传统流程相比，需要一些库中特殊单元的支持以及对传统的DB时序库添加电源地的信息。特殊单元包括Level-shifter，IsolationCell，电源关断单元(PowerGating,也叫MTCMOS)，Retention-Register，以及Always-on单元。下面分别阐述：2.2.1Level-Shifter和IsolationCell对于多电压设计，需要用Level-shifter来实现不同电压域之间信号的电平转换。根据信号电平由高到低和由低到高的转换，Level-shifter分为两类，其结构分别如图8和图9所示。图8:HightoLowLevel-shifters图9:LowtoHighLevel-shifters对于电源关断技术，电源关断区域的输出信号在电源关断时处于不定态，这种不定态会导致其负载单元出现内部电流，从而导致不期望的功耗。所以需要在电源关断区域的输出信号上插入IsolationCell来实现对不定态的隔离。Isolationcell根据钳位值不同分为与型和或型结构，其结构如图10所示。图10:BasicIsolationCells2.2.2Power-Gatingcell，Retention-Register和Always-on单元对于电