概念：

Power/Ground Gating是集成電路中通過(guò)關(guān)掉那些不使用的模塊的電源或者地來(lái)降低電路漏電功耗的低功耗設(shè)計(jì)方法。該方法能降低電路在空閑狀態(tài)下的靜態(tài)功耗，還能測(cè)試Iddq。

理論：

在電路中的某些模塊進(jìn)入休眠或者空閑模式時(shí)，我們可以使用之前講過(guò)的Clock Gating技術(shù)來(lái)降低它們的動(dòng)態(tài)功耗，但是無(wú)法降低它們的靜態(tài)功耗。而Power/Ground Gating技術(shù)可以在它們休眠的時(shí)候完全關(guān)掉它們的電源從而消除它們的靜態(tài)功耗。

理想情況下，Power gating可以完全消除電路的靜態(tài)功耗，可實(shí)際電路中Power gating只能完全關(guān)掉dynamic的power消耗，而leakage卻只會(huì)減少，不會(huì)消失，因?yàn)閜ower gating技術(shù)仍需要加入一些Always On的Cell（比如switching cell、isolate cell和retention cell，它們都是一直開(kāi)啟的，它們的電源不能被關(guān)斷，會(huì)帶來(lái)leakage）。

如下圖所示為采用了Power gating的電路動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗在active模式以及sleep模式下功耗的變化曲線。

Power gating中用到的幾種Cell

接下來(lái)將對(duì)幾種Cell分別介紹。

由于內(nèi)容非常多，非常詳細(xì)，所以本推文先介紹第一個(gè)--Power Switching Cell。

Power Switching Cell

Power Gating或者Ground Gating相應(yīng)Switching Cell的選取：

Power Gating -> Header -> PMOS

Ground Gating -> Footer -> NMOS

由于Power Switching Cell是Always On Cell，因此為了降低它上面的功耗，一般采用高閾值MOS管實(shí)現(xiàn)。下面的圖中MOS管上面黑線加粗表示高閾值器件。

下面給出兩種方案各自的特點(diǎn)，優(yōu)缺點(diǎn)以及兩種門控方案在SLEEP模式下哪種功耗更低。

下圖是Power Gating方案：

特點(diǎn)：

用PMOS實(shí)現(xiàn)的Header，用來(lái)控制電源的接通與否。

優(yōu)點(diǎn)：

比Footer實(shí)現(xiàn)的Ground Gating功耗更低，因?yàn)镠eader下方的PMOS（在實(shí)際電路中會(huì)有很多）體端接Virtual VDD，在SLEEP模式下約為0V，不存在PN節(jié)反偏注入電流。

缺點(diǎn)：

PMOS驅(qū)動(dòng)能力弱，與Footer相比需要占用更大的面積。

注意：該缺點(diǎn)在先進(jìn)工藝下已經(jīng)不存在，由于鍺硅工藝的引入，PMOS可能比NMOS驅(qū)動(dòng)還要強(qiáng)一些。由于該缺點(diǎn)已經(jīng)不存在，因此先進(jìn)工藝下更多采用Header，也就是Power Gating。

Ground Gating方案：

特點(diǎn)：

用NMOS實(shí)現(xiàn)的Footer，用來(lái)控制GND的接通與否。

優(yōu)點(diǎn)：

在之前的老工藝中，相同尺寸的NMOS驅(qū)動(dòng)能力比PMOS要強(qiáng)，因此與Header相比采用Footer的Ground Gating更省面積。

但是在先進(jìn)工藝中，該優(yōu)點(diǎn)也逐漸喪失了，原因前面已經(jīng)解釋過(guò)了。

缺點(diǎn)：

在SLEEP模式下，漏電功耗比較大。

因?yàn)槿缦拢篎ooter上方的NMOS（在實(shí)際電路中會(huì)有很多）體端是P襯底，在單阱工藝下只能接GND，在SLEEP模式下NMOS源漏兩端的電位都差不多是VDD，此時(shí)NMOS存在很大的PN節(jié)反偏注入電流。

Power Switching Cell的啟動(dòng)與關(guān)閉

Power Switching Cell的個(gè)數(shù)、分布以及啟動(dòng)、關(guān)閉上都有講究。

這對(duì)IR-drop、Timing、漏電流、啟動(dòng)及關(guān)閉的速度等都有影響。

另外，所有的Header或者Footer也不能同時(shí)一起打開(kāi)或者關(guān)閉，因?yàn)檫@樣在電源或者地上會(huì)有很大的開(kāi)關(guān)噪聲，如下圖所示：

為了避免這種現(xiàn)象，目前的集成電路設(shè)計(jì)中廣泛采用如下圖所示的Daisy Chain結(jié)構(gòu)，多個(gè)Footer或者Header之間插入Buffer，每隔一段時(shí)間開(kāi)啟/關(guān)閉一組，再隔一段時(shí)間開(kāi)啟/關(guān)閉另外一組……直到最后所有的Switching Cell開(kāi)啟/關(guān)閉為止。

Power Switching Cell的種類與分布

前面我們根據(jù)Power或者Ground Gating來(lái)將Switching Cell分為兩種：Header和Footer。

另外，我們還可以根據(jù)Switching Cell控制Cell的形式將它分為兩種：Coarse Grain Power Switch Cell和Fine Grain Power Switch Cell。

后者是專門在一些邏輯單元內(nèi)設(shè)計(jì)的電源控制邏輯，控制簡(jiǎn)單，但是面積比較大，如下圖所示：

而前者是分立的Switching Cell，可以在版圖中控制它們的分布，設(shè)計(jì)復(fù)雜度大一點(diǎn)，但是面積開(kāi)銷比較小，現(xiàn)在廣泛采用這種形式。

根據(jù)前面講述的內(nèi)容，Power Switching Cell在物理版圖中的分布有一定的要求。

有列狀分布：

還有環(huán)狀分布：

考慮到前面講的Daisy Chain結(jié)構(gòu)以及IR-drop等因素，目前廣泛采用列狀排布。

Power Switching Cell的lib描述

前面講到，Power Switching Cell有兩種，分別為Coarse Grain Power Switch Cell和Fine Grain Power Switch Cell。

下面是一個(gè)Coarse Grain Power Switch Cell的Liberty格式描述：

library（《coarse_grain_library_name》） { #library 描述開(kāi)始

…

lu_table _template （ template_name ） #電壓狀態(tài)template描述，dc_current組中會(huì)使用

variable_1 ： input_voltage;

variable_2 ： output_voltage;

index_1 （ 《float》， … ）;

index_2 （ 《float》， … ）;

}

…

cell（《cell_name》） { #某個(gè)Power Switching Cell描述開(kāi)始

switch_cell_type ： coarse_grain; #Switching Cell類型是coarse_grain，暫時(shí)只支持該類型

…

pg_pin （ 《VDD/VSS pin name》 ） { #聲明電源和地的pg_pin格式

pg_type ： primary_power | primary_ground; #他們是主電源和主地

direction ： input ; #方向是輸入

…

}

/* Virtual power and ground pins use “switch_function” to describe the logic to

shut off the attached design partition */

pg_pin （ 《virtual VDD/VSS pin name》） { #聲明內(nèi)部電源和地，這就是輸出電源/地的端口

pg_type ： internal_power | internal_ground;

direction： output; #方向是輸出

…

switch_function ： “《function_string》”; #定義開(kāi)斷控制功能，例如SLEEP

pg_function ： “《function_string》”; #內(nèi)部電源或地功能與輸入的pg_pin一致，對(duì)于header switch來(lái)說(shuō)就是premary_power的Pin Name，對(duì)于Footer Switch來(lái)說(shuō)就是primary_ground的Pin Name

}

dc_current （ 《dc_current_name》 ） { #定義不同條件下輸出Pin的穩(wěn)定電流值，EDA工具利用該數(shù)據(jù)計(jì)算IR Drop，并進(jìn)行Switch的優(yōu)化。

related_switch_pin ： 《input_pin_name》; #定義控制開(kāi)斷的Pin

related_pg_pin ： 《VDD pin name》; #定義可以被控制開(kāi)斷的電源Pin，如果是Footer Switch則是地Pin

related_internal_pg_pin ： 《Virtual VDD》; #定義不會(huì)被關(guān)閉的內(nèi)部電源Pin，F(xiàn)ooter Switch則是地Pin

values（”《float》， …”）; #定義不同狀態(tài)下的該Cell輸出的電流值

}

pin （SLEEP） { #Pin SLEEP定義開(kāi)始，SLEEP只是舉例

direction ： input;

switch_pin ： true; #表示該輸入Pin是switch pin，控制電源/地的開(kāi)斷

…

/* The acknowledge output pin uses “function” to represent the propagated switching signal

*/

pin（《acknowledge_output_pin_name》） { #定義應(yīng)答輸出Pin開(kāi)始，完成開(kāi)斷后，與switch pin狀態(tài)一致，有的Switch Cell可能沒(méi)有該pin

…

function ： “《function_string》”; #功能定義，應(yīng)該與SLEEP狀態(tài)一致

power_down_function ： “function_string”; #定義關(guān)斷后電源狀態(tài)，如對(duì)于Header switch來(lái)說(shuō)可以是！VDD+VSS，而Footer Switch來(lái)說(shuō)可以是！VSS+VDD

direction ： output;

…

} /* end pin group */

} /* end cell group */

Fine Grain Power Switch Cell的Liberty格式描述：

cell（《cell_name》） { #Fine Grain Power Switch Cell都是某個(gè)Cell內(nèi)的一部分，不單獨(dú)出現(xiàn)

is_macro_cell ： true; #定義是不是macro cell

switch_cell_type ： coarse_grain | fine_grain; #多數(shù)設(shè)置為fine_grain

pg_pin （ 《power/ground pin name》 ） { #定義電源信號(hào)，primary_是可以斷開(kāi)的，backup_是不會(huì)斷開(kāi)的。

pg_type ： primary_power | primary_ground | backup_power | backup_ground;

direction： input | inout | output;

…

}

/* This is a special pg pin that uses “switch_function” to describe the logic to shut

off the attached design partition */

pg_pin （ 《internal power/ground pin name》） { #定義內(nèi)部電源/地

direction： internal | input | output | inout;

pg_type ： internal_power | internal_ground;

switch_function ： “《function_string》”;

pg_function ： “《function_string》”;

…

}

pin （《input_pin_name》） {

direction ： input | inout;

switch_pin ： true | false; #如果是switch pin就是true

…

}

…

pin（《output_pin_name》） {s

direction ： output | inout;

power_down_function ： 《function_string》;

…

} /* end pin group */

} /* end cell group */