低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)操作設(shè)計(jì)方案

摘要

在現(xiàn)今低功耗的時(shí)代，「續(xù)航力」往往是各大公司產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一大重點(diǎn)，因此IC設(shè)計(jì)公司將省電設(shè)計(jì)視為開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，在眾多方法中，降低操作電壓是最優(yōu)先考慮的方法之一，針對(duì)此需求，M31提出低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)操作設(shè)計(jì)方案，能確保標(biāo)準(zhǔn)組件在低壓條件下能正常操作。

低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)設(shè)計(jì)之挑戰(zhàn)

當(dāng)操作電壓降低時(shí)，制程變異量(process variation)增大，標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)在設(shè)計(jì)時(shí)，面臨以下兩大挑戰(zhàn):

電路內(nèi)部訊號(hào)變異量(Internal signal variation)

當(dāng)操作電壓降低時(shí)，電路內(nèi)部訊號(hào)變異量增大，進(jìn)而產(chǎn)生誤動(dòng)作，以往為了解決此問(wèn)題，低電壓的驗(yàn)證仰賴(lài)蒙地卡羅(Monte-Carlo)模擬以及硅后(post-silicon)的量測(cè)，然而蒙地卡羅的模擬驗(yàn)證，必須達(dá)到一定的采樣數(shù)量(sampling number)，才能確認(rèn)是否能達(dá)到預(yù)定的西格馬(sigma)值，采樣數(shù)量不足將導(dǎo)致硅后量測(cè)的結(jié)果與模擬不一致，易造成開(kāi)發(fā)時(shí)程冗長(zhǎng)且耗時(shí)。

模塊精準(zhǔn)度(Modeling accuracy)

標(biāo)準(zhǔn)電壓操作下，在輸入轉(zhuǎn)換(input slew)訊號(hào)線性遞增時(shí)，電路的延遲時(shí)間(delay time)也會(huì)呈線性遞增，模塊只需提供幾個(gè)固定轉(zhuǎn)換(slew)訊號(hào)的電路延遲時(shí)間，靜態(tài)時(shí)序分析(Static timing analysis, STA)，就能透過(guò)內(nèi)差公式計(jì)算出不同轉(zhuǎn)換訊號(hào)的電路延遲時(shí)間，然而操作電壓下降時(shí)，電路的延遲時(shí)間將呈現(xiàn)非線性遞增的狀態(tài)，此時(shí)內(nèi)差公式計(jì)算的延遲時(shí)間值，跟實(shí)際的值產(chǎn)生落差，導(dǎo)致使用者無(wú)法使用精確的延遲時(shí)間驗(yàn)證。

低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)電路設(shè)計(jì)及辦法

縮短蒙地卡羅的模擬驗(yàn)證時(shí)間

M31導(dǎo)入快速蒙地卡羅模擬工具，并且針對(duì)不同電路，制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(criteria)，在蒙地卡羅的驗(yàn)證下，定義變異系數(shù)σ/μ必須小于10%，確保內(nèi)部訊號(hào)變化量不會(huì)超出10%，提升開(kāi)發(fā)效率以及電路在低電壓操作下的穩(wěn)定性。

電路的關(guān)建路徑不采用組件最小寬度(device min. width)

組件(device)的寬度(width)越小，制程變異量越大，因此低電壓操作的標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)電路，在關(guān)鍵的傳遞路徑(criticalpath)將不采用最小寬度的組件，確保內(nèi)部訊號(hào)的變異量能維持較為理想的狀態(tài)。

采用多指組件(Multi-fingerdevice)

操作在低電壓時(shí)，制程變異量增大，如果采用多指組件時(shí)，能將變異量分散到各個(gè)組件，此時(shí)單指組件的最差變異量(worstvariation)，不會(huì)發(fā)生在多指組件中，進(jìn)而減低制程變異量，如圖1。

圖1單指/多指組件

采用堆棧閘(stack gate)正反器

傳統(tǒng)傳輸閘正反器(transmission gate, TG)，由兩組栓鎖器(latch)所組成，當(dāng)頻率訊號(hào)正源觸發(fā)時(shí)，由于操作電壓降低，導(dǎo)致頻率訊號(hào)轉(zhuǎn)換(transition)時(shí)間拉長(zhǎng)，兩組栓鎖器同時(shí)打開(kāi)，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)對(duì)抗(fighting)時(shí)間拉長(zhǎng)，并且由于電壓降低，第1組栓鎖器儲(chǔ)存的訊號(hào)1電壓較低，在對(duì)抗期間，第2組栓鎖器的訊號(hào)0會(huì)寫(xiě)回去第1組栓鎖器，造成電路誤動(dòng)作，如圖2所示。

為了解決以上問(wèn)題，M31在低電壓設(shè)計(jì)中，采用堆棧閘正反器，將傳輸閘更改為堆棧閘，當(dāng)頻率訊號(hào)正源觸發(fā)時(shí)，由于采用堆棧式架構(gòu)，第2組栓鎖器的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)沒(méi)有路徑可以寫(xiě)回第2組栓鎖器，故堆棧閘正反器相較于傳統(tǒng)傳輸閘正反器，操作電壓較低。

圖2傳統(tǒng)傳輸閘正反器低電壓操作波形

模塊精準(zhǔn)度

M31提供標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)的漏電(leakage)、延遲時(shí)間(delaytime)、功率(power)….等模塊，描述電路特性，以利用戶(hù)進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析(StaticTimingAnalysis,STA)，針對(duì)延遲時(shí)間，模塊會(huì)提供不同轉(zhuǎn)換(slew)的輸入訊號(hào)(e.g. 7個(gè)點(diǎn))的延遲時(shí)間，STA會(huì)利用內(nèi)差公式，計(jì)算出不同轉(zhuǎn)換輸入訊號(hào)的電路延遲時(shí)間，在標(biāo)準(zhǔn)電壓操作下，延遲時(shí)間會(huì)根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換輸入訊呈線性遞增，然而當(dāng)操作在低電壓時(shí)，延遲時(shí)間已不在是線性遞增，此時(shí)將導(dǎo)致內(nèi)差公式得出的值，偏離實(shí)際值，如圖3所示。

圖3不同轉(zhuǎn)換(slew)的電路延遲時(shí)間

為了解決以上問(wèn)題，M31在不同轉(zhuǎn)換輸入訊號(hào)點(diǎn)與點(diǎn)之間的范圍(range)，利用相關(guān)性(correlate)公式，式1，將線性?xún)?nèi)差公式得出的值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，越接近1代表關(guān)聯(lián)性越高，模塊越精確，當(dāng)小于0.9時(shí)，M31會(huì)在此范圍多提供1組轉(zhuǎn)換輸入訊號(hào)的電路延遲時(shí)間在模塊里，進(jìn)而提升模塊的精準(zhǔn)度，如表1所示。

…………………………………………………………………...式1

表1相關(guān)性(correlate)改善結(jié)果

總結(jié)

相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電壓，低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)的設(shè)計(jì)，面臨了制程變異以及模塊的精準(zhǔn)度等挑戰(zhàn)，皆是設(shè)計(jì)者必須進(jìn)一步考慮要點(diǎn)。M31提出了縮短開(kāi)發(fā)時(shí)程、組件/電路低電壓操作改善方法以及提升低電模塊精準(zhǔn)度方案，能提供具競(jìng)爭(zhēng)力的低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫(kù)。