射頻識別芯片設計中時鐘樹功耗的優化與實現

　　1 概述

　　UHF RFID是一款超高頻射頻識別標簽芯片。該芯片采用無源供電方式：在收到載波能量后，RF前端單元產生Vdd電源信號，供給整芯片工作。由于供電系統的限制，該芯片無法產生較大的電流驅動，因此低功耗設計成為芯片研發過程中的主要突破點。為了使數字電路部分產生盡量少的功耗，在數字邏輯電路設計過程中，除了簡化系統結構外（功能簡單，只包含編碼模塊、解碼模塊、隨機數生成模塊、時鐘、復位模塊，Memory控制單元以及整體控制模塊），在部分電路設計中采用了異步電路設計方式。在這個過程中，我們看到由于時鐘樹消耗掉了數字邏輯的很大一部分功耗（大約30%以上），所以降低時鐘樹帶來的功耗也成為降低數字邏輯功耗以及整個標簽芯片功耗的重要步驟。

　　2 芯片功耗組成及降低功耗的方法

　　2.1功耗的組成

　　圖1 芯片功耗的組成

　　動態功耗主要包括短路功耗和翻轉功耗，是本設計功耗的主要組成部分。短路功耗即內部功耗，指由器件內部由于P管和N管在某一瞬間同時導通引起的瞬時短路引起。翻轉功耗由CMOS器件的輸出端負載電容充放電引起。漏電功耗主要包括亞閾區漏電和柵極泄漏引起的功耗。

　　當今，功耗兩個最主要的來源是：電容轉換和亞閾值泄漏。

　　2.2降低功耗的主要方法

　　圖2 降低芯片功耗的主要方法

　　2.2.1降低電源電壓Vdd

　　Voltage Island：不同的模塊使用不同的供電電壓。

　　MulTI-level Voltage Scaling：同一模塊中存在多種電壓源，根據應用不同在這些電壓源之間切換。

　　Dynamic Voltage Frequency Scaling：“多級電壓調整”的升級版，根據各模塊的工作頻率動態進行電壓調整。

　　AdapTIve Voltage Scaling：DVFS的升級版，使用能夠監視電路行為的反饋電路，自適應地調整電壓。

　　亞閾值電路（設計困難較多，還停留在學術界研究范圍）

　　2.2.2降低頻率f及翻轉率A

　　代碼優化（提取公因子，資源重用，operand isolaTIon，串行工作降低峰值功耗等）

　　門控時鐘

　　多時鐘策略

　　2.2.3降低負載電容（CL）及晶體管尺寸（Wmos）

　　減少時序單元

　　芯片面積和規模減小

　　工藝升級換代

　　2.2.4降低漏電電流Ileak

　　控制閾值電壓（Threshold Voltage）（閾值電壓↑漏電流↓如使用MTCMOS 、VTCMOS 、DTCMOS）

　　控制柵極電壓（Gate Voltage）（通過控制柵源電壓以控制漏電流）

　　Transistor Stack（串接冗余晶體管，增加電阻以降低漏電流）

　　門控電源（Power gaTIng或PSO）（在模塊不工作時，關斷電源，即可有效減小漏電流）

　　3 RFID芯片中時鐘樹功耗的優化

　　芯片工作時，很大一部分功耗是由于時鐘網絡的翻轉消耗的，如果時鐘網絡較大，這部分引起的功耗損失會很大。在眾多低功耗技術中，門控時鐘對翻轉功耗和內部功耗的抑制作用最強。本設計多級門控時鐘技術相結合，以及特殊的時鐘樹優化策略，節省了很大一部分功耗。本項目在邏輯設計時使用了功耗的多種優化策略，在后端的綜合和物理設計也嘗試了一些方法，通過前后端幾次功耗優化和迭代，找出最小功耗的邏輯代碼設計和綜合的方法。

　　4.1 RTL階段手工加時鐘門控

　　圖3 門控時鐘原理圖

　　module data_reg （En， Data， clk， out）

　　input En，clk;

　　input ［7:0］ Data;

　　output ［7:0］ out;

　　always @（posedge clk）

　　if （En） out = Data;

　　endmodule

　　這個階段的目的主要有兩個：第一是根據各模塊時鐘翻轉概率更加合理的加入門控時鐘單元以控制翻轉率，減小動態功耗，第二是產生一個結構盡量平衡的時鐘網絡，這樣可以保證在后端時鐘樹綜合階段可以少加入一些時鐘buffer以減小功耗。在實際的代碼設計中可以直接采用foundry單元庫中的ICG（集成門控）單元。

　　4.2 綜合階段工具插于集成門控單元

　　圖4 邏輯綜合過程中門控時鐘插入

　　#Set clock gating options， max_fanout default is unlimited

　　set_clock_gating_style -sequential_cell latch

　　-positive_edge_logic {integrated}

　　-control_point before

　　-control_signal scan_enable

　　#Create a more balanced clock tree by inserting “always enabled” ICGs

　　set power_cg_all_registers true

　　set power_remove_redundant_clock_gates true

　　read_db design.gtech.db

　　current_design top

　　link

　　source design.cstr.tcl

　　#Insert clock gating

　　insert_clock_gating

　　compile

　　#Generate a report on clock gating inserted

　　report_clock_gating

　　這個階段的目的是通過綜合工具（DC）進行門控單元的自動插入，以便進一步減小功耗。

　　需要注意的是對插入ICG的參數的設定，比如maximum fanout（扇出越大越節省功耗，扇出越平衡skew越小，視設計而定，如圖所示），以及minimum_bitwidth參數的設定，另外對于較復雜的門控結構需要插入常開ICG以使時鐘網絡結構更加平衡。

　　4.3 時鐘樹綜合階段優化功耗

　　圖5 兩種時鐘樹結構對比（a）：多級縱深型；（b）：少級扁平型

　　先介紹一下時鐘樹綜合參數對時鐘樹結構的影響：

　　Skew ：時鐘偏移，總的時鐘樹綜合目標。

　　Insertion delay（Latency）：時鐘路徑總延時，用于限定時鐘樹級數的增加。

　　Max taranstion：由最大轉換時間限定一級buffer能驅動的buffer 的數量。

　　Max Capacitance Max Fanout：由最大負載電容、最大扇出限定一級buffer 能驅動的buffer 數量。

　　一般設計中的時鐘樹綜合以降低時鐘skew為最終目的，加大level級數，減小每級fanout，將投入較多buffer，更精確的平衡每條時鐘路徑的 latency，從而得到較小skew。但是對于低功耗設計，尤其是當時鐘頻率較低的時候，時序要求并不是很高，所以希望能減小時鐘樹的規模以減小時鐘樹帶來的動態翻轉功耗。如圖所示，通過減小時鐘樹level級數，加大fanout可以有效減小時鐘樹的規模，但由于buffer 數量的減少，較之多級結構的時鐘樹，級數較少結構的時鐘樹只是大概平衡每條時鐘路徑的latency，得到的skew較大。可見，以降低時鐘樹規模為目標，進行低功耗時鐘樹綜合是以增大一定的skew為代價的。

　　具體到本RFID芯片，我們采用了TSMC 0.18um CMOS LOGIC/MS/RF工藝，時鐘頻率只有1.92M，是非常低的，此時時鐘進行時鐘樹綜合時，采用以降低時鐘樹規模為目標的低功耗時鐘樹綜合，主要對 skew，latency和transiton這幾個約束進行了設定，由于約束fanout會帶來時鐘樹級數的增加，帶來功耗的增加，所以沒有設定這個值，采用庫里的默認值。在實際中，我們使用了9種不同的時鐘樹約束條件，約束條件及綜合結果如表1 所示。

　　5 結論

　　如表1所示，總的趨勢就是target skew設的越大，最終的時鐘樹規模越小，時鐘樹buffer數量越小，對應的動態靜態功耗也越小，這樣就達到了節省時鐘樹功耗的目的。可以看到當target skew大于10ns后，功耗基本不再變化，但是基于大的skew值會帶來hold時序的變差導致修復時序的時候插入buffer增多，所以應該進行折中，從圖表來看策略5和策略6為優選方案。另外當skew設置選出最優后，還可以看到Max transition值設的越大最終得到的功耗也越小，這可以理解為時鐘信號躍遷的時間越長所需要的能量越小。另外latency約束的設置可以盡量放大，其值的大小對最終的功耗結果影響不大。

作者 常曉夏,潘亮,李勇