一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法与流程

1.本发明属于集成电路技术领域，特别是涉及一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法。


背景技术：

2.随着工艺特征尺寸的缩小以及复杂度的提高，集成电路设计面临很多挑战，如速度越来越高，面积不断增大，噪声现象更加严重等；目前除了时序和面积，功耗已经成为集成电路设计中日益关注的因素，单位面积上的功耗密度急剧上升，漏电流呈指数级别的增加。在先进工艺芯片设计中，漏电流已经和动态电流一样大，曾经可以忽略的静态功耗成为功耗的主要部分。
3.对于ic产品，特别是移动手持设备，对功耗特别敏感，功耗过高，会导致待机时间短，设备发热量大，用户体验性差等问题。因此，对于ic低功耗的设计越来越迫切；目前对于ic低功耗设计的主要方式包括门控时钟即clock-gating以及电源控制即power-gating两种，门控时钟是通过控制时钟的开启和关断来降低功耗，电源控制是通过控制电源的开启和关断来减小功耗；对于前者只能降低动态功耗，而后者即可降低动态功耗也可以降低静态功耗。目前，本技术人在所有芯片中都会采用门控时钟的方式，但不全部采用电源控制的方式，因为电源控制方式开销太大，只有高功耗模块才会采用这种方式来降低功耗，如cpu和gpu模块等。
4.业界目前进行ic功耗和电压降分析的工具有voltus(cadence)、redhawk(apache)等，但这些工具都只能在模块物理设计后期，用来评估ic功耗和电压降，没法在模块设计前期确定插入电源关断单元的个数。简而言之，现有工具只能确定插入的电源关断单元够不够，是否满足电压降的要求，而且还是在物理设计后期才能确定；如果不够，则需推翻重来，这是目前工具的不足。
5.由于目前没有工具能够预估电源关断单元数量，所以在以前的项目中，电源关断单元划分为几条链以及每条链上电源关断单元的数量是通过经验确定，并没有实际数据做支撑。此外，为了确保万无一失，通常会放置许多冗余的电源关断单元。这种做法，一方面浪费面积，另一方面影响模块的时序收敛和功耗，特别是cpu和gpu模块。基于以上原因，提出了一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法，该方法简单有效，适用于所有工艺，通过与实测结果的对比，证明了该预估方法的可行性。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法，解决了以上问题。
7.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
8.本发明的一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法，包括如下步骤：
9.s1、搭建电源关断单元静态模型，采用hspice仿真提取其本征参数；
10.s2、采用primetime-px提取出模块功耗值；
11.s3、根据公式计算得出应该插入电源关断单元的数量；
12.s4、根据面积大小，将整个模块等效成一个大的负载电容；
13.s5、采用hspice动态仿真，获取电源关断单元的开启时间，峰值电流和电源关断单元上的电压降；
14.s6、判断电源开关单元的数量是否足够；
15.s7、划分电源关断单元链。
16.进一步地，所述s1步骤中，采用hspice仿真提取其本征参数具体步骤为：采用hspice仿真测量电源关断单元静态模型开启瞬间电流i
dsat
,正常供电时的等效电阻为r
on
。
17.进一步地，所述s2步骤中，模块功耗值包括静态功耗和动态功耗。
18.进一步地，所述s3步骤的具体内容是：通过静态功耗与动态功耗相加得出总功耗；将总共好除以电源电压得到峰值电流；将电源电压除以峰值电流得到电源关断单元上的等效电阻；最后，将正常供电时的等效电阻除以电源关断单元上的等效电阻即得到电源关断单元的数量。
19.进一步地，所述s4步骤的具体内容是：用标准单元库中场效应管电容单元来取代整个模块等效成的负载电容，通过面积关系，将整个模块等效为若干个场效应管电容单元。
20.进一步地，所述s5步骤的具体内容是：对模块上电时，不将所有电源关断开关一起开启，限制一个电流的最大值为峰值电流，在电源关断单元上的电压降，开启一条链或多条链时，加在标准单元上的电压从0v上升至0.7vdd的时间为开启时间。
21.进一步地，所述s7步骤具体步骤包括：如果仿真电源关断单元的电压降至大于百分之一的电源电压，则数量不足；反之，如果仿真的电源关断单元的电压降小于百分之一的电源电压，则数量足够。
22.进一步地，所述s8步骤具体包括：划分多条电源关断单元链，然后间隔开启，以避免所有电源关断单元同时开启导致的瞬间电流过大，影响周边模块正常工作，甚至导致周边模块停止工作。
23.本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：
24.本发明的方法能够在项目初期一次确定设计所需电源关断单元的数量，无需迭代，能够快速、准确地预先计算出电源关断单元的数量，节约大量时间；应用于集成电路的低功耗设计步骤中，结合电源关断技术，从而有效降低芯片的静态功耗及面积，大大提高了芯片设计的效率。
25.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明具体实施例确定插入电源关断单元个数方法的流程图；
28.图2为本发明具体实施例验证插入的电源关断单元是否足够的方法流程图；
29.图3为本发明具体实施例基于本方法使用的现有技术中一种搭建的电源关断单元静态模型原理图；
30.图4为本发明具体实施例基于本方法使用的现有技术中另一种搭建的电源关断单元静态模型原理图；
31.图5为本发明具体实施例中利用搭建的电源关断单元静态模型测得的电流与电压关系图；
32.图6为本发明具体实施例中利用搭建的电源关断单元静态模型测得的电阻与电压关系图；
33.图7为本发明具体实施例中判断插入的电源关断单元个数是否足够的标准的示意图；
34.图8为本发明具体实施例中电源关断单元的串链示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明实施例可以应用于集成电路的低功耗设计，核心在于可以快速、较准确地预先一次计算出电源关断单元的数量，从而有效降低芯片的静态功耗以及面积。
37.芯片中的某些模块在不工作时，可以关断其电源，在需要工作时，再将其电源导通，这就是电源关断技术。电源关断技术使得电源关断区域的漏电流降至接近零，极大的减小芯片的静态功耗。
38.如图3所示，现在电源关断的技术也很多，有内部关断、外部关断。外部关断就是在芯片外部通过切断电源来关断芯片内部的某些模块，内部关断则是在芯片内部切断某些模块的电源；简单的方法只需要一些门控单元就可以实现对某些模块的电源(vdd)或地(vss)的控制；在现有技术中，电源关断开销很大，只有高功耗模块才会采用这种方式来降低功耗，如cpu和gpu模块等。
39.在现有技术中，进行ic功耗和电压降分析的工具有voltus(cadence)、redhawk(apache)等，但这些工具都只能在模块物理设计后期，用来评估ic功耗和电压降，没法在模块设计前期确定插入电源关断单元的个数；简而言之，现有工具只能确定插入的电源关断单元够不够，是否满足电压降的要求，而且还是在物理设计后期才能确定。如果不够，则需推翻重来。这是目前工具的不足。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法：
40.请参阅图1-2所示，本发明的一种预估低功耗设计中电源关断单元个数的方法，包括如下步骤：
41.s1、搭建电源关断单元静态模型，采用hspice仿真提取其本征参数；
42.s2、采用primetime-px提取出模块功耗值；
43.s3、根据公式计算得出应该插入电源关断单元的数量；
44.s4、根据面积大小，将整个模块等效成一个大的负载电容；
45.s5、采用hspice动态仿真，获取电源关断单元的开启时间，峰值电流和电源关断单元上的电压降；
46.s6、判断电源开关单元的数量是否足够；
47.s7、划分电源关断单元链。
48.本发明具体实施例中，首先搭建电源关断单元静态模型，如图3所示，然后采用采用hspice仿真，测量到电源关断单元静态模型开启瞬间电流i
dsat
,正常供电时的等效电阻为r
on
。
49.本具体实施例中，如图4所示，其中电源关断单元静态模型描述的是电源关断单元开启瞬间到正常供电的一个过程，其中，开启瞬间的电流为i
dsat
，正常供电时的等效电阻为r
on
，这两个参数分别表征了模块开启瞬间需要吸收的瞬态电流和正常供电后电源关断单元上的电压降；i
dsat
越大，说明该模块开启时对周边模块影响越大，最糟糕时会导致整个芯片停止工作，r
on
越大，会使得电源关断单元上的电压降越大，最终导致整个芯片性能下降。
50.本具体实施例中，根据由电源关断单元静态模型测得的电流与电压关系图，该图如图5所示，x轴为vdd点的电压，y轴为通过电源关断单元的电流，随着vdd点的电压不断升高通过电源关断单元的电流随之降低，当vdd点电压为0时通过电源关断单元的电流为idsa，图6为根据电源关断单元静态模型测得的电阻与电压关系图曲线，x轴为vdd点的电压，y轴为电源关断单元的等效电阻，该等效电阻跟随电源关断单元的导通情况而变化，当vdd的电压提升到99％vvdd时，认为电源关断单元处于完全导通状态，此时的等效电阻为r
on
。
51.其中，s2步骤中，模块功耗值包括静态功耗和动态功耗，本具体实施例中，用primetime-px提取出静态功耗和动态功耗。
52.其中，s3步骤的具体内容是：通过静态功耗与动态功耗相加得出总功耗；将总共好除以电源电压得到峰值电流；将电源电压除以峰值电流得到电源关断单元上的等效电阻；最后，将正常供电时的等效电阻除以电源关断单元上的等效电阻即得到电源关断单元的数量。
53.其中，验证电源关断单元个数首先从搭建电源关断单元动态模型开始，该模型如图4所示，该动态模型描述的是模块电源开启的全过程，其中，c代表整个模块等效的电容。
54.其中，s4步骤的具体内容是：用标准单元库中场效应管电容单元来取代整个模块等效成的负载电容，通过面积关系，将整个模块等效为若干个场效应管电容单元；要想精确的得到某个模块的等效电容值其实是件非常复杂的工作，因为该电容值随着工作频率和电源电压变化，所以即使得到这样一个值，也是不可信的。基于以上原因，我们想到了用标准库中的场效应管电容单元来取代这个电容，因为它的电容值是随频率和电压变化的。通过面积关系，将整个模块等效为n个场效应管电容单元。也就是说，将整个模块铺满场效应管电容单元，这样就能很好的模拟真实情况了。虽然这样做相当于所有场效应管电容单元都在翻转，是最悲观的情况，但这能够把所有情况都覆盖到，是我们想要的。
55.其中，s5步骤的具体内容是：对模块上电时，不将所有电源关断开关一起开启，限制一个电流的最大值为峰值电流，在电源关断单元上的电压降，开启一条链或多条链时，加在标准单元上的电压从0v上升至0.7vdd的时间为开启时间。
56.本发明实施例中，在得到了整个模块的等效电容后，需要采用hspice动态仿真获
取电源关断单元的开启时间、峰值电流和电源关断单元上的电压降这几个关键参数，包括：
57.峰值电流：对某个模块上电时，不能将所有电源关断单元一起开启，因为这样会导致瞬间电流过大，影响周边模块的正常工作，所以这里需要限流；
58.电压降：模块上电工后，在电源关断单元上的压降是很关键的，这个值越大，说明实际加在标准单元上的电压值就小，从而导致芯片性能下降；
59.开启时间：一般是指开启一条链或多条链时，加在标准单元上的电压从0v上升到0.7vdd的时间。
60.其中，s7步骤具体步骤包括：如果仿真电源关断单元的电压降至大于百分之一的电源电压，则数量不足；反之，如果仿真的电源关断单元的电压降小于百分之一的电源电压，则数量足够；具体如图7所示，根据该图标判断插入的电源关断单元个数是否足够。
61.其中，s8步骤具体包括：划分多条电源关断单元链，然后间隔开启，以避免所有电源关断单元同时开启导致的瞬间电流过大，影响周边模块正常工作，甚至导致周边模块停止工作；为此，就必须划分多条电源关断单元链，然后间隔开启。图8中描述的是将电源关断单元划分成了两条链，一条是由限流关断单元链使能信号控制，该链用于限流；一条是由供电关断单元链使能信号控制，该链用于供电，一条是由供电关断单元链使能信号控制，该链用于供电。
62.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。