计量单元电压 在多电源多电压的时代符合UPF单元库/环境

　　摘要:各式各样的低功耗设计技术需要被使用来降低设备的功耗,进而增加电池的使用寿命。芯片设计的每个步骤都需要低功耗方案,如何有效地设计与管理这些复杂的低功耗方案成为了一个至关重要的课题。本文我们将回顾传统多电源多电压设计流程,然后与基于统一功率格式方法学做一个比较。稍后,我们将介绍专用单元库的需求以及分享一些我们对统一功率格式方法学的看法。
　　关键词:低功耗设计; 多电源多电压单元库的环境;统一功率格式
　　
　　UPF-Compliant Library/Environment
　　in the Multi-Supply Multi-Voltage Era
　　
　　Tsai Shi-Huei,Koan Huang, CHEN Hung-ming
　　(Faraday Technology China Corp.,Shanghai,200233 China)
　　
　　Abstract:While various low power design techniques need to be employed to reduce device power consumption and increase battery lifetime, how to efficiently design and manage these complex low power schemes intertwined with chip design activities becomes a major concern. In this paper, we will review traditional MSMV library environment, then compare it with Unified Power Format-based methodology. Later, we will introduce specific library requirements and share some views on UPF-based methodology.
　　Keywords: Low Power Design; Multi-Supply Multi-Voltage;Unified Power Format
　　
　　1传统的方法
　　
　　 传统上电源和地在设计RTL的阶段是不被考虑的。造成这个结果的原因在电源线和地线在布局布线的时候单元会自动地接合。因为相同的资料会经由每个使用过的单元与模块所携带,资料会被视为冗余,因此在逻辑设计的时候会被移除,以便使RTL设计人员能够更加专注于信号线的逻辑行为。
　　
　　2过渡到多电压多电源设计
　　
　　 随着多电压多电源设计的流行,情况发生了很大变化。因为供应电压的不同,除非设计应用到多轨(multi-rail)单元,否则单元不再能被自动地接合。一个实际的实现方式是将这些单元集合成一组再供给相同的电压参考源,限制他们在一个特定分配的区域,然后给他们连接一个适当的电压源,这样,有效地构成了我们经常提到的“电压域”的概念。
　　 电压域打开或关闭是按照正常模式或待机(Standby)模式的操作来设计,用以减少电源的浪费。电源线不再是静态的连接,而是和特定电压域的电源开或关等状态的行为有关。为了截取电源开关状态的差别,电源跟地连接的需求至少在门级仿真的时候,正确的电源开关行为要能够被确认。
　　 对每个电压域基于模块的方法可能习惯于得到综合产生的电压域网表,然后在该电压域的网表加入传统电源与地的连接,并且在芯片整合的时候进行调整。
　　
　　3改写传统的流程
　　
　　 所以利用现在的工具以及传统的流程来处理多电压多电源设计一般来说要牵涉到下列的工作:
　　 ●将每个电压域以模块的方式来呈现
　　 ●在门级网表的阶段接上电源线和地线
　　 ●在电压域间连接适当的逻辑
　　 ●将电源的开与关视为模块功能的一部分
　　 ●经由仿真来做最后的确认
　　因此我们看到了在门级网表加入电源与地连接线的需求,所以经由这个流程接口也能达到一致,而相应的电源开关行为能够经由电力来源的状态被捕捉到,表1举一个例子来说明从单元的角度来看差别何在。
　　
　　4会发生问题的地方
　　
　　 虽然上述的方式可行,但使用者必须注意避免在人工定制的过程里出现必定会发生的人为错误。有些在传统流程里常会发生问题的地方如下所列:
　　 ●在网表级处理电源与地线
　　 ●为了集合并且联接相同电压的组(cluster)所做的手工连接
　　 ●芯片实现时所做的顶层整合
　　 ●验证时对电源/地线行为的建模/仿真
　　因为数字仿真只有“0”或“1”两种状态的处理,并没有告诉我们逻辑“1”是指1.0 V或1.2 V电压,所以我们很难去利用传统的仿真来判别一个电平移位器(level shifter)已经被正确地用在两个不同的电压域之间。同样地,在仿真的时候,如果被连接到逻辑“1”,你将不知道这个电压源是1 V还是1.2 V。因此,除了仿真之外,需要大量的检查清单来帮忙解决潜在的人工错误以及在仿真过程的遗漏。
　　
　　5需要解决的办法
　　
　　 从以上的探讨,我们了解到一旦电源和地的资料能被很清楚地定义,那么不同电压域就能够被分开来处理,每个电压域能够用传统流程来处理。然而,在整合的阶段,每个电压域的电源线与地线需要被显示正确连接到的供应电压,而信号跨过不同的电压域将需要做电平移位,隔离或不断电(always-on)逻辑的处理来确保每个连接的功能性与电性都没有受到损害。
　　 所以基本上我们需要一个对每一个电源域基于模块的设计方法,这方法看起来要求跟现在设计的代码风格几乎一致,还要能减少人工处理网表时容易发生错误的方式。考虑到现在SoC设计的规模跟复杂度,一个加速SoC设计协作的方法也是必须的。
　　
　　6电子设计自动化(EDA)
　　产业给的回响
　　
　　 电子设计自动化产业看到了客户的需求自然是不会错过,他们的回答是使用额外的电源规格作为输入来促进设计自动化,不修改现有的设计以及编码风格,一个典型的流程建议如图1。
　　 没有额外的电源规格输入,工具将如过去实现单一电源的设计,当输入额外的电源规格,工具将电源的需求考虑进去而实现出多电压多电源的设计。
　　
　　7核心方法学
　　
　　因为工具对多电压多电源的处理能力是由额外加入的电源规格所引发,这样有助于探索电源规格的内容而得到更多的领悟。尽管规格本身告诉我们设计本身电源要求的意图,但真正的物理实现是需要包括额外的单元来处理在不同电压域之间电气方面的安全保护。总的来说,我们看到新的方法学要求设计的电源规格,针对电源管理定制的单元库以及支持针对多电压多电源低功耗设计的工具三者协同来完成。
　　
　　 7.1单元库
　　 因为我们已经知道由单电压设计转到多电压多电源的低功耗设计包含了电源与地作为信号线的连接,在设计里头单元与端口(Port)需要处理电源与地的管脚将不可避免。我们能预见在Liberty里面必须要有新的句法(Syntax)来描述PG管脚才能支持电源与地等管脚的建模,相关的构成(Construct)以及属性(attribute)也需要用来应付不同电压域间的接口以及控制与保持(retention)逻辑的信号。
　　对标准单元,我们必须在Liberty的句法上关注下列各方面在建模式的考量:
　　 ● 需要对电源与地的管脚明确的建模
　　 ● 需要对输出管脚电源关断功能建模
　　 ● 需要特别详述对输入输出管脚相关的电源与地管脚
　　 表2扼要说明在Liberty针对电源与地管脚的属性新的句法。
　　表3扼要说明针对特殊的电源管理单元在Liberty库里相对的句法。
　　 智原科技已经将上述的特殊电源管理单元打包到PowerSlashTM锦囊里提供给客户开发低功耗应用的设计,锦囊里一般的内容如图2所示。
　　
　　 7.2电源规格与工具
　　电源规格如电子设计自动化产业所定义的,以UPF为例,对于一个低功耗设计已经完整的定义如下:
　　 ● 电源域
　　 ● 供给电源的网络
　　 ● 电源状态
　　 ● 电源防护策略
　　 下列的工作可以视为对工具经典的规格要求:
　　 ● 划分电源域
　　 ● 指派以及连接电源/地轨
　　 ● 塞入不断电,保持以及接口逻辑
　　 ● 实现设计并且验证
　　图3 说明能加入电源规格的EDA工具促使多电压多电源设计自动化完成,所见的版图是客户在65 nm工艺下的低功耗设计。
　　 我们看到了为了支持综合、静态时序分析、测试、仿真、形式验证以及布局布线工具等各个阶段的设计流程,下列的资料是必须要提供的:
　　 ● 在域里特殊单元的功耗以及相关的时序
　　 ● 在域里不断电,保持单元的行为建模
　　 ● 在域里特殊单元的开关行为建模
　　 ● 在域里个别域的电源开关行为建模
　　 ● 对接口逻辑特殊单元的功耗以及相关的时序
　　 ● 对接口逻辑不断电,保持单元的行为建模
　　 ● 对接口逻辑特殊单元的开关行为建模
　　 除了个别域的电源开关行为建模是跟RTL行为仿真有关外,其他的资料能够被以各种单元库的形式来建模,所以EDA工具能够提供相应的操作。
　　
　　8总结
　　
　　由以上的讨论,我们知道新的方法学能够利用引入电源规格来自动化的处理多电压多电源设计,但这需要IP供应商提供相对应的单元库, 设计者要提供电源规格,EDA供应商要提供功能强大的工具来促使整个设计的自动化得以实现。
　　作为一个专业的IP供应商, 除了提供符合UPF规格的库外,智原科技进一步开发了内部使用的工具来提高ASIC客户准备电源规格的效率,这个服务也作为标准交付的一部分。
　　 此外,电源规格应该是设计规划的一部分而且在设计的初期阶段就该被广泛地讨论与检视。从建模的角度,一个用户定制化的机制来支持新的电源管理特殊单元也已经被工具提供商所认可。
　　
　　参考文献
　　[1]Synopsys Low Power Verification Tools Suite User Guide Version 2008.12, January 2009
　　[2]Synopsys Low-Power Flow User Guide Version B-2008. 09, September 2008
　　[3]Library Compiler User Guide: Modeling Timing, Signal Integrity, and Power in Technology Libraries Version B-2008.09, September 2008
　　[4]Unified Power Format (UPF) Standard Version 1.0, February 2007
　　
　　作者简介
　　蔡旭回, IP技术部 经理 智原科技(上海)有限公司件。
　　黄坤进, IP技术部 协理 智原科技(上海)有限公司。
　　陈宏铭,技术市场部 总监 智原科技(上海)有限公司。