一种低功耗系统芯片的实现流程

　　0 引言

　　随着CMOS半导体工艺的进步，集成电路进入系统芯片(System on Chip，SoC)设计时代，极大地提高了集成度和时钟频率，导致芯片的功耗急剧增加。功耗成为集成电路设计中除面积和时序之外的又一个重要因素，因此低功耗设计成为学术界和产业界关注的焦点。低功耗技术的引入，给芯片的设计和实现提出了新的挑战。这些挑战包括电压域的划分、EDA工具之间数据的交换和管理等。本文基于IEEEl801标准Uni-fied Power Format(UPF)，采用Synopsys和Mentor Graphics的EDA工具实现了包括可测性设计在内的“从RTL到GDSII”的完整低功耗流程设计。本论文第1部分描述了低功耗技术和术语。第2部分描述了本文设计的系统芯片的情况。第3部分描述了整个设计的流程和采用的EDA工具。第4部分为总结。

　　1 低功耗技术

　　数字CMOS电路的功耗主要有三个来源，分别是开关功耗Pswitching、短路功耗Pshort-circuit和泄漏功耗Pleakage，分为动态功耗(Psw itching+Pshort-circuit)和静态功耗(Pleakage)两大类，如式(1)所示。

　　其中，α是开关活动因子，CL是有效电容，VDD是工作电压，fclk是时钟频率，ISC是平均短路电流，Ileak是平均漏电流。目前提出了各种降低功耗的方法，主流的技术有门控时钟(Clock-Gating)、多阈值电压(Multi-threshold)，先进的技术包括多电压(Mulit- Voltage，MV)电源关断(MTCMOS Pwr Gating)、多电压和带状态保持功能的电源关断(MV&Pwr Gating with State Retention)、低电压待机(Low-VDD Stan-dby)、动态或自适应电压和频率调整(Dynamic or Adaptive Voltage&Frequency Scaling,DVS、DVFS、AVS、AVFS)、阱偏置(Well Biasing，VTCMOS)等。为了实现这些技术，需要在设计的时候划分电压域(Power Domain,PD)，组成不同的工作模式(Power Mode,PM)和加入特殊器件，比如电源关断器件(Power Switches)、电平转换器件(Level Shifter，LS)、隔离器件(Isolation Cell)和状态保持器件(State Ret-ention Cell)等。在本文的芯片设计中采用了门控时钟、多电压和电源关断技术。

　　2 本次设计的概括

　　本文的芯片设计如图1所示，有4万个寄存器、20万逻辑门，共分七个电压域，PD TOP(顶层)、PD1、PD2、PD3、PD4、PD5和PD6，其中PD6工作在1.2V，其余的工作在1.8V。在正常工作模式下有三种电压模式，分别为PM1(PD1关断，其余开启)、PM2(PD TOP和PD1开启，其余关断)和PM3(PD TOP开启，其余关断)。电源关断器件和隔离器件的使能信号(ps en和iso en)由处于常开区PD TOP的功耗模式控制器(PMC)产生。

　　3 低功耗设计流程

　　如图1所示，每个关断电压域的输出要插入隔离器件，以防止该电压域电源关断后输出的不定态影响别的电压域正常工作，由于PD6的工作电压是1.2V，其余的是1.8V，因此要在PD6的输入和输出插入电平转换器件。这些低功耗的设计意图写入UPF文件，EDA工具根据UPF实现设计者的想法。整个设计实现过程中包括RTL代码的综合、可测试性设计、布局布线、物理验证和网表的等价形式验证，如图2所示。