低功率芯片技術(shù)或影響整個芯片設(shè)計流程

當恩智浦半導(dǎo)體（NXP Semiconductors N.V.，NXP）開始使用先進的低功率芯片設(shè)計技術(shù)時，有一件事令其大吃一驚?！澳承┣闆r下，在實現(xiàn)階段出現(xiàn)了兩倍的產(chǎn)能下降?！盢XP公司設(shè)計與技術(shù)負責人Herve Menager表示。

從整個行業(yè)來看，這并不是一個特例。雖然EDA供應(yīng)商們一直在為兩種競爭性的低功率規(guī)范爭斗不休，但它們似乎忽略了一個更大的問題：類似多電壓設(shè)計等低功率技術(shù)如此困難，以至于設(shè)計人員需要重新考慮整個芯片的設(shè)計流程。在最近于加州Monterey舉行的電子設(shè)計過程（EDP）大會上，Menager和其它芯片設(shè)計師詳細探討了這方面的挑戰(zhàn)。

EDA供應(yīng)商們理解設(shè)計師所處的兩難境地?！爱a(chǎn)能帶來的影響是巨大的?！?a href="http://srfitnesspt.com/tags/Cadence/" target="_blank">Cadence設(shè)計系統(tǒng)公司Encounter營銷副總裁Eric Filseth說，“低功率技術(shù)不能單靠版圖，這是架構(gòu)方面的事，涉及驗證、實現(xiàn)、測試等整個設(shè)計階段?！?/p>

大多數(shù)觀察人士認為，業(yè)界已經(jīng)確立了諸如門控時鐘和多電壓閥值（multi-Vt）等一些基本的低功率設(shè)計技術(shù)，而且它們也得到了現(xiàn)有工具的支持。門控時鐘通過限制時鐘分配來減少動態(tài)功率，多電壓閥值設(shè)計在非關(guān)鍵性能處使用高電壓閥值單元來降低漏電流。

設(shè)計師遇到的難題在于怎樣利用更先進的多電壓技術(shù)。在采用多電壓供電（multi-Vdd）方法時，一些模塊的供電電壓要低于其它模塊，從而形成電壓“孤島”。這種情況在靜態(tài)電壓時已經(jīng)非常復(fù)雜，而當采用動態(tài)電壓調(diào)整方法在工作期間改變電壓值時，會變的更加復(fù)雜。

為了降低漏電流，一些設(shè)計采用功率選通法并通過多閥值CMOS（MTCMOS）開關(guān)關(guān)閉不在使用狀態(tài)的模塊。在這里，上電和斷電順序的設(shè)計和驗證可能會特別復(fù)雜。

先進的技術(shù)也在不斷迎頭趕上。在2006年設(shè)計自動化會議上，由Sequence Design公司撰寫的調(diào)查報告指出，有26%的受訪者表示正在使用門控時鐘，另有24%使用的是multi-Vt庫（參見圖1）。

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圖1、設(shè)計人員正在使用電壓島、電源門控和其他功率控制技巧

“多電壓和電源關(guān)斷等先進技術(shù)會影響到整個設(shè)計流程?！毙滤脊綬TL綜合和低功率產(chǎn)品部營銷總監(jiān)Gal Hasson表示。

設(shè)計挑戰(zhàn)

Menager在EDP會議上指出，截至目前，NXP已經(jīng)嘗試借助兩種方法來解決動態(tài)功率問題，分別是通過門控時鐘降低功耗，以及減小開關(guān)電容。最近，該公司開始使用電壓島和頻率調(diào)整方法來滿足性能和功率要求。

多電壓設(shè)計通常需要：電平轉(zhuǎn)換器，讓信號跨越電源域邊界；保持寄存器，在斷電時保持狀態(tài)信息；片上開關(guān)，實現(xiàn)加電和斷電；隔離單元，在斷電時控制輸出。這些技術(shù)NXP都在使用，但針對電路單元的自動實現(xiàn)和驗證的詳細意圖卻非常復(fù)雜，Menager表示。

例如，電平轉(zhuǎn)換器引入的版圖約束會極大提高CAD工具的復(fù)雜性，Menager表示。雖然版圖在邏輯上是正確的，但在物理方面卻可能出錯，他指出。

Menager表示，當隔離鉗位二極管用于電源開關(guān)時，可能傳輸不必要的數(shù)據(jù)，而浮置輸入端也可能發(fā)生短路。保持寄存器可能需要緩存樹對控制信號“常開”，而電源連接不僅容易出錯，而且非常耗時，他說。

Menager認為，電壓島可以利用片上開關(guān)打開或關(guān)閉，但這樣做會使電源分配和底層規(guī)劃變得更為復(fù)雜。開關(guān)需要合適的尺寸來平衡電流承載能力與面積和漏電流二者之間的關(guān)系，有必要使用靜態(tài)IR壓降分析來驗證這個尺寸。

在SoC級，全局緩沖策略和電源分布是很復(fù)雜的，Menager指出。

低功率設(shè)計對可測試設(shè)計（DFT）影響很大，Menager指出。在電壓島間插入掃描鏈會大量增加復(fù)雜性。

“我們需要對后端實現(xiàn)具有更少破壞性的靈活解決方案?！盡enager說，“重要之處在于捕獲，且在早期正確捕獲電源網(wǎng)絡(luò)的意圖?！?/p>

通用功率格式（CPF）對捕獲電源意圖至關(guān)緊要。據(jù)Menager透露，NXP已經(jīng)使用了Si2的CPF，并發(fā)現(xiàn)其極具價值。但在CPF和Accellera的統(tǒng)一功率格式（UPF）之間的標準之爭卻是個令人頭疼的問題。

“好消息是我們終于從無格式發(fā)展到有格式，”Menager說，“壞消息卻是，我們一下子從一無所有跳躍到有太多選擇?！?/p>

當時鐘變得復(fù)雜

飛思卡爾半導(dǎo)體公司也使用多電壓技術(shù)，其GSM手機的待機電流和工作電流正在以每年大約15%的速度下降，設(shè)計經(jīng)理Milind Padhye表示。Padhye指出，采用多電壓設(shè)計法后，設(shè)計中的未用部分其電源可以被切斷；低性能部分可以工作在較低電壓下。不過，這樣做也存在著成本問題。