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数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF(4)

来源:网络收集 时间:2021-09-24 下载这篇文档 手机版
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}

pin (data) {

direction : input;

isolation_cell_data_pin : true ; #被控制的输入Pin

}/* End pin group */

pin (enable) {

isolation_cell_enable_pin : true ; #控制信号

}/* End pin group */

pin (output) { #输出信号

direction : output;

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power_down_function : (!pg_pin_name_P + pg_pin_name_G); #电源关闭后进入为power down状态

}/* End pin group */

}/* End Cell group */

3.2.1.3. Retention Register Cells

对于寄存器来说,当电源关闭后,其保存的数据也就不存在了,如果有些寄存器的数据,希望在断电后继续保持,则需要使用一个专门的Retention Register Cell,在断电前把寄存器的值锁存起来,重新打开电源后将数值存回寄存器去。而该寄存器在断电时,会有一部分电源一直有电。

下图所示,是一种常用的Retention Register Cell基础结构:

图 3-4 Retention Register Cell基础结构图

如上图所示,Master/Slave Latches是常规的寄存器,工作在VDD_SW电压域,也就是可以关断的电压域,D、CLK、RESETN和Q是寄存器的控制和输出信号。RET电路工作在VDD电压域,不会被关闭,当“SA VE”信号有效,RET会把寄存器的值保存起来,而RESTORE有效,RET将保存的数值写入寄存器中(“SA VE”和“RESTORE”具体时序关系需要参考IP提供商提供的数据,这里只是说明一下其功能)。

需要注意的是,一个Retention Register Cell比普通寄存器面积要大约20%,如果设计的鲁棒性好一些,甚至会大超过50%的面积。

Retention Register Cell不但是可以保持寄存器的值,还可以保持Latch的值,两种不同的结构图如下所示:

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图 3-5 Retention Cell的电路结构示意图

图中(a)表示寄存器的Retention Cell,当Save和Restore都是0的时候,使能保持电路不工作,而寄存器的置位和复位端无效,寄存器正常工作。需要进入Sleep模式,首先需要停止寄存器的Clk(Clk_On信号关闭),接着准备进入Sleep模式。当Save为1后,Q端数据被采集进保持电路中,然后可以关闭电源(Power_on关闭)。打开电源后(Power_on打开),将Restore置1,如果保持电路输出为1,则对寄存器做异步置位,否则做异步复位,使寄存器输出与保持电路一致。需要注意的是,Save为从0置1后,不可以再有时钟改变Q端输出,且Save必须有一定的宽度,保证Q端数据被记录下来,同时关闭电源一定要等数据被保持下来后才可以进行。打开电源后,Restore一定要保持一定的时间,使寄存器充分复位或置位,同时在下一个时钟沿到来之前,一定要将Restore清0,否则Q端就不会发生变化,电路可能就会出错。当数据被读回后,就可以打开时钟(Clk_On打开),开始正常工作了。时序示意图如下所示:

图 3-6 Retention Register工作时序示意图

图中(b)是一个Retention Latch的电路结构示意图,原理与寄存器的Retention Cell类似,这里就不详细描述了。

下面所示是一个Retention Cell的Liberty格式描述,描述是基于一个常见寄存器或Latch的格式上进行的:

cell(<cell_name>) {

retention_cell : <retention_cell_style>;

pin(<pin_name>) {

retention_pin(<pin_class>, <disable_value>);

}

}

retention_cell_style主要是定义一个器件识别名,不同功能名字不能一样。这里所说的功能,不止是寄存器或latch的功能,还需要考虑到save和restore过程是否一致。

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retention_pin是的定义表示该pin是与retention cell功能有关的,其中pin_class可以是restore、save、save_restore,其中restore和save分表表示该pin是restore功能和save功能,而save_restore表示该pin根据不同电平为save或restore功能。disable_value表示save 或者restore无效时的电平是1还是0。

需要注意的是retention_pin定义时一定要有related_power_pin和related_ground_pin定义其所述的电源域,否则编译时会报Warning,并为该Pin定义primary_电源域。

同时对于latch和寄存器的Retention Cell的latch和ff组描述,会与正常的latch和寄存器有所不同,如下,加粗字体为不同的部分:

latch (IQ, IQN) {

data_in: D & (SAVE & RESTORE) ;

enable : CLK ;

}

ff(”IQ”, “IQN”) {

next_state : “D& (!SA VE & !RESTORE)” ;

clocked_on : “CP” ;

}

3.2.1.

4. Always-On Logic Cells

有些Cell是不能够被关闭的,如Power Switch Cell、Retention Register Cells、Isolation Cells,他们就被称为Always-On Logic Cells。在这些Cell的Liberty格式描述中就会有一个属性“always-on”是true。同时对于Always-On Logic Cells,pg_pin描述一般都会有两组,primary和backup,工具看到该cell为Always On,就会把2组电源地都接到长开的电源/地上。

cell(always_on_cell) {

always_on : true ; #定义该Cell是always_on_cell

pg_pin(<pg_pin_name_P>) { #电源Pin定义

pg_type : primary_power;

}

pg_pin(<pg_pin_name_G>) { #地Pin定义

pg_type : primary_ground;

}

pg_pin(<pg_pin_name_P>) { #电源Pin定义

pg_type : backup_power;

}

pg_pin(<pg_pin_name_G>) { #地Pin定义

pg_type : backup_ground;

}

}/* End Cell group */

3.2.2 利用不同VT值的库,实现静态功耗和时序的平衡(Multi-VT)

随着工艺尺寸的减小,Oxide层厚度的减少,VT值也一直在减少,这是为了在驱动电压较低的情况下,提高驱动速度。但同时静态功耗也随之增加。

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对电路设计来说,并不是每一个部分的电路,路径延时都需要那么小,对于一些非关键路径来说,如果能够使用高VT值的元件,则可以在满足时序的前提下减小静态功耗了。

在同一种工艺下,实现不同的VT值,可以使用井偏置(Well Bias)技术,使Substrate的电压与Source的电压存在一定的电压差,就可以改变VT值了。使用较多的方法是分别对N-MOSFET和P-MOSFET增加1层Mask来提高VT,或减小VT。

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