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纳米级IC设计的功耗挑战及解决方法

    随着工艺特征尺寸的缩小以及复杂度的提高,集成电路面临越来越多的挑战,其中,功耗问题尤为突出。本文分析了低功耗设计的必要性,然后分别从降低动态功耗和静态漏电流功耗两个角度重点讨论了EDA五金|工具对低功耗实现的支持。
    随着工艺特征尺寸的缩小以及复杂度的提高,IC实现面临了很多挑战:速度越来越高,面积不断增大,噪声现象更加严重等。其中,功耗问题尤为突出,尤其是进入130nm、90nm节点后,单位面积上的功耗密度急剧上升,如图所示。因此,功耗已成为继传统二维要素(速度、面积)之后的第三维要素。
    首先是手持设备的出现对功耗提出了更高的要求。它们均由电池供电,因此电池使用寿命是评估这类产品很重要的一个指标,实际上,这类产品成功的商业范例正是依赖于该产品的重量、价格以及电池使用寿命。但是,电池的价格与重量成为降低系统价格与重量的瓶颈,只有采用低功耗技术才是解决该问题的有效途径。其次是散热问题。集成电路消耗的能量绝大部分以热量形式散发出来,因此必须采用有效的散热技术来保证芯片正常的工作温度。如果无法有效散热则会导致电路性能下降。
          图1、 功耗密度随工艺特征尺寸的变化曲线。
    再次是可靠性问题。影响集成电路工作的可靠性和信号完整性问题都是与集成电路的峰值/平均功耗有关。例如,当功耗较大时,在高层互连金属上有电迁移现象,它会导致电子线路的短路或断路。电源|稳压器线上IR下降问题同样会影响电路的可靠性,它降低了电路性能,减小了噪声容限,增大了时钟偏移。前述问题严重影响了电路的可靠性,而降低峰值/平均功耗则可以解决这些问题,提高电路的可靠性。最后是环境保护问题。功耗问题会直接或间接地影响环境,这就要求集成电路设计时采用低功耗技术,以有效利用能源。
    对于低功耗设计而言,能够在系统级和架构级加以改进将会给芯片功耗带来极大的改善,而对于设计实现而言,降低功耗也越来越多地成为EDA产品的一个切入点。
    对于EDA中关注的功耗问题,主要有动态功耗和静态漏电流功耗。本文将从动态功耗和静态漏电流功耗两个方面具体阐述低功耗实现方法。
      动态功耗主要和结点翻转率、时钟频率以及工作电压的平方成正比。换言之,在保证芯片性能、即不改变工作频率的前提下,合理分配结点翻转率和调整工作电压能够有效降低动态功耗。
    针对翻转率,Cadence公司提供的前端综合工具RTL Compiler主要通过门控时钟手段来完善,它将自动针对RTL code中的控制信号描述选取用户自定义的门控模块、库中自带的集成门控时钟功能的器件、或是根据标准逻辑搭建。而Cadence公司提供的后端工具SOC Encounter在时钟树建立阶段就已经将功耗纳入其目标函数之内,诸如在时钟树上无损时钟偏移地选取低翻转率处插入缓冲器;在时钟控制文件中加入对门控模块的分类;根据各组门控的归类,调整布局的合理性等。
     在工作电压方面,主要是在后端工具里具体实现。SOC Encounter就提供了在一块芯片中采取多工作电压的方法来分立电压域,从而降低局部工作电压。由于动态功耗与工作电压的平方成正比,因此该方法能使动态功耗呈平方关系降低。当然,要根据电路实际需求来选取模块和电压域之间的对应,比如性能要求较低的电路模块就可以采取降低工作电压的方法,而对于性能要求较高的模块或者是PAD单元,就不能以简单地降低工作电压来换取功耗的减少。当然,在Cadence公司提供的Encounter工具里,并不单纯只是支持分立的电压域,还配合以一系列的功能来帮助用户自动划分电压域、建立模块和电压域的匹配、对电压域的模板进行布局、基于电迁移和功耗约束优化布局、添加保护器件并自动映射到网表中等等。此外,在整个流程中也嵌入低功耗的约束,在布局、时钟树综合、布线等各阶段全面支持多工作电压的策略。
     在考虑动态功耗的同时,我们同样关注如何降低静态漏电流功耗。这里,就要利用特殊的基本单元库来协同实现。随着器件的阈值电压增大,漏电流功耗将减小,器件的延时将增大,电路的速度将降低。要减少漏电流功耗,单纯升高阈值电压并不可行,因为阈值电压的升高会使电路的速度降低,从而影响芯片的性能。因此我们设想一下,在一条时序关键路径中选用阈值电压小的器件提高速度,而在一条非时序关键路径中采用阈值电压大的器件降低漏电流功耗。通常情况下,非时序关键路径远远多于时序关键路径,因此就总体而言,在保证时序的前提下,漏电流功耗还是被大大降低了。综合Cadence的整个流程来看,无论是RTL Compiler这样的前端综合工具,还是SOC Encounter这样的后端工具,都考虑了这样的方案。
     面向130nm/90nm工艺,现有的EDA工具已提供了较好的低功耗实现方案。要更好地解决功耗问题,还需要前端设计人员、系统架构设计人员以及嵌入式软件设计人员的共同努力。
 

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