全流程低功耗設計技術的應用

隨著便攜式電子設備的日益使用，要求集成電路IC及SoC的功耗越來越低。在今后日益復雜的設計中，實現一個可靠的電源網絡以減小功耗變成了主要的挑戰。
對于使用者來說，期待每一代新產品都具有新型功能，同時也希望產品的體積小并具有較長的工作時間。解決這個難題的方法之一就是采用新型的IC設計技術，以提供小而且高效的晶體管。在整個設計流程中，為了使器件的性能和可靠性最優，電源方面的限制非常關鍵。例如在邏輯門應用中，由于開關從一種狀態轉換到另一種狀態從而引起動態功耗。在開關的轉換過程中，和晶體管門極相連的所有內部電容將會被充電，從而消耗功率。更為嚴重的是，門極也會給所有的外部電容充電，這些外部電容主要是導線產成的寄生電容以及和低端邏輯門相連的輸入電容。當邏輯門不執行操作或者不從一種狀態轉換到另一種狀態時，靜態功耗主要和邏輯門本身有關。從理論上說，邏輯門此時是不消耗功率的，但實際上，晶體管的泄漏電流總會吸收一部分電流而消耗功率。即使單個邏輯門的靜態功耗相當小，但對于今天上千萬個邏輯門產生的功耗也會變得很大。

考慮功耗的分布
無論是靜態還是動態的功率消耗都會增加器件的工作溫度，為了和變化的溫度以及電源相適應，設計者通常都會改進焊盤的導電特性并增加一些設計余量。
對于深亞微細(DSM)或者超深亞微細(UDSM)器件來說，容易受到電壓降的影響。這種影響主要是在外部管腳和內部電路之間用來進行網絡和地的功率分配時，由導線的電阻引起(在和直流電壓相關的電壓降中，電壓降的影響通常指IR降)。因此為了簡化器件的設計應用，可以考慮在相同的源和地之間采用反向門鏈的方法，如圖1所示。
每個源和地之間都有一個小的電阻和它相連，意味者與主要電源最近的IC管腳和地管腳之間獲得最佳的電源性能，下一個鏈中的門獲得的電源稍微減弱，并在鏈中依次遞減。
在靜態或者交流壓降影響的情況下，當開關從一種狀態轉換到另一種狀態或者龍其是整個電路快速關閉或者打開時，問題將會變得非常嚴重。這會導致短時的電壓尖峰，在電源鏈上門極獲得的電源性能將會立即降低。
由于邏輯門上電壓降的影響將會導致輸入/輸出的延時，破壞門時鐘周期，所以完整的分析和描述電壓降的影響變得非常重要。在欠壓驅動的條件下，導線之間的延遲也會增加。
電壓降的影響使得門極對噪音干擾以及延遲影響增加，這時可以考慮采用降低局部電壓源的方法。尤其在延遲影響中，一個較強的信號很可能會加速或者減慢開關的執行，這可由信號朝相同還是相反方向過渡判斷得到。例如，考慮兩個反向的開關信號，此時很有可能導致網絡上的延遲增加，如圖2所示。
在線路中，電流密度較大將會引起電子遷移。在電源和地的情況中，電子遷移的影響是基于直流電的。當導線中的金屬離子遷移時，電流的流動會產生電子風，形成空隙和電子的堆積。
由于空隙的產生會增加導線阻抗從而產生電壓降，所以電源和地之間的電子遷移會導致時間選擇問題，這樣會進一步增加邏輯門開關的延遲以及噪音的干擾。

實現低功耗的要求
今天，在分析和考慮功耗問題時大部分的設計都集中在物理設計過程的后期階段，這對由設計前期階段產生的問題無法解決。
低功耗要求使用任何可能的數據對與功耗相關的因素進行完整的前期分析，并進一步提煉精確數據直至功能實現為止，這樣潛在的問題就可以得到識別并在前期得到解決。
在低功耗的設計實現中，在不同的階段要求對時間和電源的選擇進行折中。因此為了保證精確有效地完成設計方案，在整個RTL-GDSII流程中采用低功耗優化技術變得非常必要。
當前很多第三方提供的功耗分析工具還沒有完全集成到主設計環境中，需要使用多個數據庫或者把不同的數據庫模型組合成一個數據庫。基于這些工具的設計環境需要對內部和外部之間的數據和文件進行編譯和傳輸，這使數據管理變得笨重耗時。特別是在布局完后對錯誤的修改變得非常昂貴。而且當設計工具缺乏自動分析能力而需要手動修改時，如果手動修改后的分析過程需要再進一步運行而不是協同運行，手動修改的結果可能不會正常工作或者引入新的問題。
獲得不同設計工具之間的相互影響關系是比較困難的，在設計過程中可能會發現一些問題，而有的問題不可能發現。目前的設計環境尤其是納米技術中，可能最關注的問題是電源、時序以及信號集成之間的相互影響，而在傳統的設計工具中是不可能同時考慮它們之間的影響及其關系的。
功耗分析工具集成度的缺乏使得用分析結果來定位和隔離時序、信號問題時，會引入新的問題，導致時間花費的增加。
基本說來，使用基于點的功耗分析工具得到非收斂的解，會延遲設計的面市時間。一個完整意義的低功耗設計環境應該是一個綜合集成環境，包含合成、布局、布線、時鐘樹、抽取、時序選擇以及信號的集成分析。并且為了避免分析數據的不一致性，要求環境中的所有工具都工作于相同的模型數據下。
解決和DSM以及UDSM器件相關問題需要在整個RTL到GDSII中進行功耗分析設計。在今日高度競爭的市場環境下，采用相對保守的分析設計是不可行的，而解決這個問題的關鍵就是采用全流程的功耗分析設計。這種設計系統能夠對設計過程中相同模型數據進行反復的分析和設計，從而對所需要進行的修改進行測試和驗證。■

作者簡介：
Sameer Patel是Magma自動化設計產品市場部經理，獲得UC Berkeley MBA學位以及在Virginia Tech大學MS電氣工程學位。