芯片設(shè)計(jì)進(jìn)階之路——門級(jí)優(yōu)化和多閾值電壓

低功耗深入理解(三)

在《芯片設(shè)計(jì)進(jìn)階之路——門控時(shí)鐘》里面介紹了門控時(shí)鐘。我們知道現(xiàn)在工具對(duì)門控時(shí)鐘的支持已經(jīng)十分成熟了，基本不需要我們?cè)O(shè)計(jì)上做任何改變，就能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

還有兩種對(duì)設(shè)計(jì)影響小，而且比較成熟的低功耗技術(shù)是：

門級(jí)電路功耗優(yōu)化

多閾值電壓設(shè)計(jì)

這兩種技術(shù)和門控時(shí)鐘一樣，已經(jīng)被EDA工具支持的很好，基本不需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)上額外做任何工作，就能很好的實(shí)現(xiàn)。我們只需要了解他們的概念和基本原理就行了。

1 門級(jí)電路的功耗優(yōu)化(Gate Level Power Optimization)

門級(jí)電路的功耗優(yōu)化(Gate Level Power Optimization，簡稱GLPO)是從已經(jīng)映射的門級(jí)網(wǎng)表開始，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功耗的優(yōu)化以滿足功耗的約束，同時(shí)設(shè)計(jì)保持其性能，即滿足設(shè)計(jì)規(guī)則和時(shí)序的要求。功耗優(yōu)化前的設(shè)計(jì)是已經(jīng)映射到工藝庫的電路，如下圖所示：

門級(jí)電路的功耗優(yōu)化包括了設(shè)計(jì)總功耗，動(dòng)態(tài)功耗以及漏電功耗的優(yōu)化。對(duì)設(shè)計(jì)做優(yōu)化時(shí)，優(yōu)化的優(yōu)先次序如下：

從上到下，優(yōu)先級(jí)逐漸降低。優(yōu)化時(shí)，所產(chǎn)生的電路首先要滿足設(shè)計(jì)規(guī)則的要求，然后滿足延遲(時(shí)序)約束的要求，在滿足時(shí)序性能要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行總功耗的優(yōu)化，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗的優(yōu)化和漏電功耗的優(yōu)化，最后對(duì)面積進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化時(shí)先滿足更高級(jí)優(yōu)先權(quán)的約束。進(jìn)行低級(jí)優(yōu)先權(quán)約束的優(yōu)化不能以犧牲更高優(yōu)先權(quán)的約束為代價(jià)。功耗的優(yōu)化不能降低設(shè)計(jì)的時(shí)序。為了有效地進(jìn)行功耗優(yōu)化，需要設(shè)計(jì)中有正的時(shí)間冗余(timing slacks)。功耗的減少以時(shí)序路徑的正時(shí)間冗余作為交換，即功耗優(yōu)化時(shí)會(huì)減少時(shí)序路徑上的正的時(shí)間冗余。因此，設(shè)計(jì)中正的時(shí)間冗余越多，就越有潛力降低功耗。

比如下面的例子：

在上圖中，與門輸出具有特別高的翻轉(zhuǎn)率。因?yàn)樗竺嬗幸粋€(gè)NOR門，所以可以將兩個(gè)門重新映射到一個(gè)AND-OR門加上一個(gè)反相器，這樣高翻轉(zhuǎn)的Net就變成了AND-OR內(nèi)部的信號(hào)線了?，F(xiàn)在就不需在AND門后接一個(gè)大電容來支持高翻轉(zhuǎn)的輸出，有效降低了動(dòng)態(tài)功耗。

再看一個(gè)例子：

在上圖中，左邊多輸入與門中，高翻轉(zhuǎn)率的信號(hào)映射到了高功率輸入引腳，低翻轉(zhuǎn)信號(hào)映射到了低功率引腳。對(duì)于多輸入門，不同引腳的輸入電容可能差異很大——因此功率可能存在顯著差異。通過重新映射，使高翻轉(zhuǎn)信號(hào)映射到低功率輸入端，可以降低動(dòng)態(tài)功耗。

與時(shí)鐘門控一樣，門級(jí)功耗優(yōu)化由EDA工具來實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)于RTL設(shè)計(jì)人員是透明的。我們只需要了解這個(gè)概念，知道有這個(gè)優(yōu)化就足夠了。

2 多閾值電壓設(shè)計(jì)(Multi-Threshold Logic)

多閾值電壓指的是在工藝庫中，同一種功能的門會(huì)有多種閾值電壓的cell，這樣在不同的邏輯里就能通過選擇不同的閾值電壓來降低靜態(tài)功耗。

多閾值電壓是用來降低靜態(tài)功耗，也就是漏電功耗的。為什么多閾值電壓技術(shù)可以降低漏電功耗呢?

這是基于下面兩個(gè)結(jié)論：

1. 閾值電壓VT越高，泄露功耗越小;

2. 閾值電壓VT越高，門延時(shí)越大;

如下圖所示：

一個(gè)更直觀的圖如下：(一個(gè)90nm庫的數(shù)據(jù))

可以看到，泄露功耗隨著VT提高，呈指數(shù)級(jí)減少，有時(shí)LVT和HVT可以相差100倍。但是器件延時(shí)隨VT增加卻不是指數(shù)級(jí)的，但是還是VT越高，延時(shí)越大。

泄露功耗主要來源于亞閾值漏電流(Sub-threshold Leakage)引起的功耗(詳細(xì)描述可以參考之前的文章)。一個(gè)比較好的計(jì)算公式如下：

W/L是晶體管的尺寸，Vth是熱相關(guān)常量;Cox/Vth/W/L都是工藝相關(guān)，不可以調(diào)整。VGS就是VDD;

VT是閾值電壓;可以看到，閾值電壓越高，漏電功耗就越低。但是閾值電壓越高，對(duì)應(yīng)的翻轉(zhuǎn)速度就會(huì)越慢，延時(shí)就會(huì)越大，性能就越差。

一般綜合時(shí)，會(huì)先用HVT的cell去綜合，然后在critical path上如果有timing不過，再用LVT去修。但是一般會(huì)限制LVT的數(shù)量，防止泄露功耗太大。因?yàn)閬嗛撝敌孤╇娏麟S溫度呈指數(shù)增長(Vth)。即使在室溫下的泄漏是可以接受的，在最壞的情況下，溫度會(huì)超過芯片的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

后記

門控時(shí)鐘，門級(jí)優(yōu)化和多閾值電壓技術(shù)已經(jīng)是很常見，普遍使用的低功耗技術(shù)。現(xiàn)在工具和Flow已經(jīng)能夠很好的支持。但是作為設(shè)計(jì)人員，還是需要了解其基本原理，文中的描述已經(jīng)足夠大多數(shù)人的需求了。