張博文

（運(yùn)城學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000）

1 納米級(jí)超大規(guī)模集成電路芯片功耗構(gòu)成

動(dòng)態(tài)功耗可分為P 溝道MOS 晶體管、N 溝道MOS晶體管同一時(shí)間導(dǎo)通形成的短路電流引起的功耗以及電容器充電和放電引起的功耗。靜態(tài)功耗包括擴(kuò)散區(qū)、襯底形成的反向偏置二極管的漏電流、通過柵氧的電流引起的功耗。由于泄漏電流大小和溫度有關(guān)，因此芯片溫度升高時(shí)，漏電流引發(fā)的靜態(tài)功耗急劇增加，而且泄漏電流與晶體管大小成反比。動(dòng)態(tài)功耗受開關(guān)頻率、負(fù)載、電源電壓影響，芯片電壓越高，功耗越大。因此，要優(yōu)先選擇可在低電壓運(yùn)行的芯片，以降低整體功耗。本文主要針對超大規(guī)模集成電路功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[1]。

2 納米級(jí)超大規(guī)模集成電路芯片低功耗物理設(shè)計(jì)方法

2.1 工藝層面的芯片低功耗物理設(shè)計(jì)

工藝層面的芯片低功耗物理設(shè)計(jì)基本思路是通過改進(jìn)工藝、優(yōu)化電子元件布局及縮小低電子元件大小等方式實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前，集成電路制造工藝已經(jīng)邁入7 nm 級(jí)，電路集成度急速增加，單位面積芯片中集成的晶體管數(shù)量達(dá)千億級(jí)，導(dǎo)致芯片功耗快速增長。晶體管特征尺寸與其漏電流引發(fā)的靜態(tài)功耗成反比。為了降低靜態(tài)功耗，可利用包括多種閾值電壓的單元庫，盡量用閾值更高的元件，以提高閾值電壓，降低功耗。此外，還可以改進(jìn)工藝，根據(jù)CMOS 晶體管的襯底偏置效應(yīng)適當(dāng)提高晶體管閾值電壓，減少漏電流，從而降低靜態(tài)功耗。例如，采用立體鰭狀柵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)元件開關(guān)特性，使元件關(guān)閉時(shí)漏電流顯著降低，還可以用高介電常數(shù)材料替換二氧化硅、多晶硅柵極，以減少柵極中寄生電容[2-3]。

2.2 電路結(jié)構(gòu)上的芯片低功耗物理設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、電路實(shí)現(xiàn)途徑的方式來實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)目的。供電電壓越高，動(dòng)態(tài)功耗越大，即便是很小的電壓變化都能顯著降低功耗?；诖?，在電路結(jié)構(gòu)方面的低功耗設(shè)計(jì)中，降低供電電壓是一種基本思路。例如，供電電壓降低0.6 V 時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗會(huì)降低40%左右。而芯片模塊的供電電壓可能存在差異。圖1 為多供電電壓設(shè)計(jì)。

圖1 多供電電壓設(shè)計(jì)

圖1 中處理器CPU、主存RAM 模塊運(yùn)行速度要盡量快，但外部接口的運(yùn)行速度要求不高。模塊運(yùn)行速度和供電電壓成正比，為了在速度與低功耗之間找到平衡，CPU、RAM 模塊的供電電壓VDD2為1.8 V，外部接口模塊的供電電壓VDD1為1.0 V。這屬于多供電電壓低功耗設(shè)計(jì)方案，芯片性能要求不同，適用于芯片的多供電電壓低功耗設(shè)計(jì)方案也存在差異。

2.3 門級(jí)層面的芯片低功耗物理設(shè)計(jì)

2.3.1 單元映射

在邏輯門層面描述電路時(shí)應(yīng)使用邏輯門單元。執(zhí)行門級(jí)綜合時(shí)如為手動(dòng)輸入，則綜合器將從合成庫中選擇邏輯門模塊。大多數(shù)工藝提供商會(huì)提供低功耗單元庫。選擇這樣的單元庫可以降低功耗，這是使用單元格映射的基本思路。此外，活躍度高的節(jié)點(diǎn)要盡量置于邏輯單元中，以降低其負(fù)載電容，從而降低功耗。最常見的設(shè)計(jì)思路就是增加電路的輸入門，如三輸入門，以減少邏輯門數(shù)量并縮短總線長度，達(dá)到降低功耗的目的。

2.3.2 公因子提取

提取公因子以精簡邏輯網(wǎng)絡(luò)，降低電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，從而降低功耗。例如，設(shè)計(jì)者可通過多種邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)函數(shù)，雖然在面積、時(shí)間方面不同邏輯結(jié)構(gòu)的差異不大，但輸入信號(hào)反相頻率存在差異，導(dǎo)致電路功耗存在較大差異。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，由高速旋轉(zhuǎn)信號(hào)控制的負(fù)載應(yīng)盡可能小，即這些信號(hào)應(yīng)更靠近輸出，即元件越小越好。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，有必要弄清每個(gè)信號(hào)的活躍度，然后根據(jù)每個(gè)信號(hào)的活動(dòng)性提取公因子，并合理地對每個(gè)信號(hào)在電路中的位置進(jìn)行排序。

2.3.3 門尺寸優(yōu)化

通過縮減路徑非關(guān)鍵網(wǎng)關(guān)尺寸，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)。在電路性能不受限制的情況下，可縮小全部電路中所有邏輯門的尺寸，將門尺寸優(yōu)化轉(zhuǎn)為延遲限制下的功耗最低優(yōu)化問題。首先可以根據(jù)路徑對時(shí)間約束進(jìn)行線性化，再求解線性方程獲得全局最優(yōu)解。由于采用了低帶寬的模塊，電平轉(zhuǎn)換速度減慢，從而導(dǎo)致短路電流增加，這是優(yōu)化門尺寸的一個(gè)限制因素。對于給定時(shí)間范圍內(nèi)優(yōu)化離散快門大小變化功率問題，其基本思想是從最小的門開始逐步增加關(guān)鍵路徑。大小以滿足限制并最小化通道切換活動(dòng)。

2.4 系統(tǒng)層面的芯片低功耗物理設(shè)計(jì)

2.4.1 軟硬件劃分

軟硬件劃分是指將電路系統(tǒng)分為軟件、硬件兩部分。目前，很多知名電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA 公司已相繼發(fā)布了系統(tǒng)層面的電路設(shè)計(jì)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)電路系統(tǒng)層面軟硬件劃分，被行業(yè)廣泛應(yīng)用。例如，Synopsys 公司的CoCentric 可以同時(shí)設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)核心元器件，Cadence 推出的Virtual Component Co-design可以定義、分析、優(yōu)化系統(tǒng)層面的電路設(shè)計(jì)，給電路設(shè)計(jì)者提供了系統(tǒng)集成、驗(yàn)證所需技術(shù)和工具，圖形化界面方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。利用這些軟件設(shè)計(jì)人員可以從系統(tǒng)層面對軟件、硬件兩個(gè)角度綜合考慮，確定最佳設(shè)計(jì)方案。

2.4.2 功耗管理

功耗管理包括動(dòng)態(tài)、靜態(tài)兩種管理方式。動(dòng)態(tài)功耗管理是指根據(jù)實(shí)際情況控制空閑模塊關(guān)閉，以減少功耗。靜態(tài)功耗管理的對象是電路工作模式。如果系統(tǒng)空閑，則停止芯片工作，休眠系統(tǒng)，從而減少功耗。動(dòng)態(tài)功耗管理實(shí)現(xiàn)需要操作系統(tǒng)，因此其應(yīng)用受到限制。

2.4.3 指令優(yōu)化

指令優(yōu)化流程包括如下4 步。

（1）提取指令集。合理選用指令集可以讓系統(tǒng)功耗降至最低。

（2）合理選擇指令長度，提高程序代碼密度，從而降低對存儲(chǔ)器的訪問，降低功耗。

（3）優(yōu)化指令編碼，減少指令讀取時(shí)總線信號(hào)翻轉(zhuǎn)，以降低功耗。

（4）壓縮指令，指令在內(nèi)存中進(jìn)行壓縮，輸入CPU 之前再解壓可以降低CPU 功耗。

3 基于Golden UPF 的低功耗物理設(shè)計(jì)流程

Golden UPF 主要有便于追蹤、無需修改UPF 文件及設(shè)計(jì)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，本次研究基于Golden UPF（Unified Power Format）進(jìn)行低功耗物理設(shè)計(jì)，在滿足電路性能需求的情況下實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)基本流程如圖2 所示。

圖2 基于Golden UPF 的低功耗物理設(shè)計(jì)流程

在開始設(shè)計(jì)前要準(zhǔn)備好相應(yīng)資料，主要包括如下3 個(gè)。

（1）網(wǎng)表。使用邏輯綜合工具，將設(shè)計(jì)好的RTL代碼轉(zhuǎn)換為基于特定工藝庫的邏輯門級(jí)網(wǎng)表。

（2）SDC 文件。用Tcl 語言編寫用于表述設(shè)計(jì)目標(biāo)的一種文件，如面積、時(shí)序、功耗等方面的設(shè)計(jì)目標(biāo)。目前，電路低功耗設(shè)計(jì)多采用多重邊角多重模式（MCMM）需多個(gè)SDC 文件來確保設(shè)計(jì)正確。

（3）UPF 文件。Unified Power Format 文件對電路低功耗物理設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了規(guī)定，用于設(shè)計(jì)的全過程。

準(zhǔn)備好這些資料之后，通過低功耗物理設(shè)計(jì)將網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成GDS2 格式版圖文件，經(jīng)多次ECO 修復(fù)時(shí)序違例后，在MVtool 中檢查低功耗器件插入正確性。再抽取版圖RC 參數(shù)，使用功耗分析軟件讀取ICC 輸出的門級(jí)網(wǎng)表、對應(yīng)UPF 對電路功耗進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)論

本文簡要介紹了電路功耗的構(gòu)成，分別從工藝、電路、門、系統(tǒng)四個(gè)層面研究了低功耗物理設(shè)計(jì)方法，但是低功耗設(shè)計(jì)領(lǐng)域還有很多待解決的問題，因此還有待進(jìn)一步研究，以不斷降低芯片功耗。