摘要

在現(xiàn)今低功耗的時代，「續(xù)航力」往往是各大公司產(chǎn)品競爭力的一大重點，因此IC設(shè)計公司將省電設(shè)計視為開發(fā)重點，在眾多方法中，降低操作電壓是最優(yōu)先考慮的方法之一，針對此需求，M31提出低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫操作設(shè)計方案，能確保標(biāo)準(zhǔn)組件在低壓條件下能正常操作。

低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫設(shè)計之挑戰(zhàn)

當(dāng)操作電壓降低時，制程變異量(process variation)增大，標(biāo)準(zhǔn)組件庫在設(shè)計時，面臨以下兩大挑戰(zhàn):

電路內(nèi)部訊號變異量(Internal signal variation)

當(dāng)操作電壓降低時，電路內(nèi)部訊號變異量增大，進(jìn)而產(chǎn)生誤動作，以往為了解決此問題，低電壓的驗證仰賴蒙地卡羅(Monte-Carlo)模擬以及硅后(post-silicon)的量測，然而蒙地卡羅的模擬驗證，必須達(dá)到一定的采樣數(shù)量(sampling number)，才能確認(rèn)是否能達(dá)到預(yù)定的西格馬(sigma)值，采樣數(shù)量不足將導(dǎo)致硅后量測的結(jié)果與模擬不一致，易造成開發(fā)時程冗長且耗時。

模塊精準(zhǔn)度(Modeling accuracy)

標(biāo)準(zhǔn)電壓操作下，在輸入轉(zhuǎn)換(input slew)訊號線性遞增時，電路的延遲時間(delay time)也會呈線性遞增，模塊只需提供幾個固定轉(zhuǎn)換(slew)訊號的電路延遲時間，靜態(tài)時序分析(Static timing analysis, STA)，就能透過內(nèi)差公式計算出不同轉(zhuǎn)換訊號的電路延遲時間，然而操作電壓下降時，電路的延遲時間將呈現(xiàn)非線性遞增的狀態(tài)，此時內(nèi)差公式計算的延遲時間值，跟實際的值產(chǎn)生落差，導(dǎo)致使用者無法使用精確的延遲時間驗證。

低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫電路設(shè)計及辦法

縮短蒙地卡羅的模擬驗證時間

M31導(dǎo)入快速蒙地卡羅模擬工具，并且針對不同電路，制定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(criteria)，在蒙地卡羅的驗證下，定義變異系數(shù)σ/μ必須小于10%，確保內(nèi)部訊號變化量不會超出10%，提升開發(fā)效率以及電路在低電壓操作下的穩(wěn)定性。

電路的關(guān)建路徑不采用組件最小寬度(device min. width)

組件(device)的寬度(width)越小，制程變異量越大，因此低電壓操作的標(biāo)準(zhǔn)組件庫電路，在關(guān)鍵的傳遞路徑(criticalpath)將不采用最小寬度的組件，確保內(nèi)部訊號的變異量能維持較為理想的狀態(tài)。

采用多指組件(Multi-fingerdevice)

操作在低電壓時，制程變異量增大，如果采用多指組件時，能將變異量分散到各個組件，此時單指組件的最差變異量(worstvariation)，不會發(fā)生在多指組件中，進(jìn)而減低制程變異量，如圖1。

圖1單指/多指組件

采用堆棧閘(stack gate)正反器

傳統(tǒng)傳輸閘正反器(transmission gate, TG)，由兩組栓鎖器(latch)所組成，當(dāng)頻率訊號正源觸發(fā)時，由于操作電壓降低，導(dǎo)致頻率訊號轉(zhuǎn)換(transition)時間拉長，兩組栓鎖器同時打開，內(nèi)部節(jié)點對抗(fighting)時間拉長，并且由于電壓降低，第1組栓鎖器儲存的訊號1電壓較低，在對抗期間，第2組栓鎖器的訊號0會寫回去第1組栓鎖器，造成電路誤動作，如圖2所示。

為了解決以上問題，M31在低電壓設(shè)計中，采用堆棧閘正反器，將傳輸閘更改為堆棧閘，當(dāng)頻率訊號正源觸發(fā)時，由于采用堆棧式架構(gòu)，第2組栓鎖器的內(nèi)部節(jié)點沒有路徑可以寫回第2組栓鎖器，故堆棧閘正反器相較于傳統(tǒng)傳輸閘正反器，操作電壓較低。

圖2傳統(tǒng)傳輸閘正反器低電壓操作波形

模塊精準(zhǔn)度

M31提供標(biāo)準(zhǔn)組件庫的漏電(leakage)、延遲時間(delaytime)、功率(power)….等模塊，描述電路特性，以利用戶進(jìn)行靜態(tài)時序分析(StaticTimingAnalysis,STA)，針對延遲時間，模塊會提供不同轉(zhuǎn)換(slew)的輸入訊號(e.g. 7個點)的延遲時間，STA會利用內(nèi)差公式，計算出不同轉(zhuǎn)換輸入訊號的電路延遲時間，在標(biāo)準(zhǔn)電壓操作下，延遲時間會根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換輸入訊呈線性遞增，然而當(dāng)操作在低電壓時，延遲時間已不在是線性遞增，此時將導(dǎo)致內(nèi)差公式得出的值，偏離實際值，如圖3所示。

圖3不同轉(zhuǎn)換(slew)的電路延遲時間

為了解決以上問題，M31在不同轉(zhuǎn)換輸入訊號點與點之間的范圍(range)，利用相關(guān)性(correlate)公式，式1，將線性內(nèi)差公式得出的值與實際值進(jìn)行比對，越接近1代表關(guān)聯(lián)性越高，模塊越精確，當(dāng)小于0.9時，M31會在此范圍多提供1組轉(zhuǎn)換輸入訊號的電路延遲時間在模塊里，進(jìn)而提升模塊的精準(zhǔn)度，如表1所示。

…………………………………………………………………...式1

表1相關(guān)性(correlate)改善結(jié)果

總結(jié)

相對于標(biāo)準(zhǔn)電壓，低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫的設(shè)計，面臨了制程變異以及模塊的精準(zhǔn)度等挑戰(zhàn)，皆是設(shè)計者必須進(jìn)一步考慮要點。M31提出了縮短開發(fā)時程、組件/電路低電壓操作改善方法以及提升低電模塊精準(zhǔn)度方案，能提供具競爭力的低電壓標(biāo)準(zhǔn)組件庫。