低电压标准组件库操作设计方案

描述

摘要

在现今低功耗的时代,「续航力」往往是各大公司产品竞争力的一大重点,因此IC设计公司将省电设计视为开发重点,在众多方法中,降低操作电压是最优先考虑的方法之一,针对此需求,M31提出低电压标准组件库操作设计方案,能确保标准组件在低压条件下能正常操作。

 

低电压标准组件库设计之挑战

当操作电压降低时,制程变异量(process variation)增大,标准组件库在设计时,面临以下两大挑战:

电路内部讯号变异量(Internal signal variation)

当操作电压降低时,电路内部讯号变异量增大,进而产生误动作,以往为了解决此问题,低电压的验证仰赖蒙地卡罗(Monte-Carlo)模拟以及硅后(post-silicon)的量测,然而蒙地卡罗的模拟验证,必须达到一定的采样数量(sampling number),才能确认是否能达到预定的西格马(sigma)值,采样数量不足将导致硅后量测的结果与模拟不一致,易造成开发时程冗长且耗时。

模块精准度(Modeling accuracy)

标准电压操作下,在输入转换(input slew)讯号线性递增时,电路的延迟时间(delay time)也会呈线性递增,模块只需提供几个固定转换(slew)讯号的电路延迟时间,静态时序分析(Static timing analysis, STA),就能透过内差公式计算出不同转换讯号的电路延迟时间,然而操作电压下降时,电路的延迟时间将呈现非线性递增的状态,此时内差公式计算的延迟时间值,跟实际的值产生落差,导致使用者无法使用精确的延迟时间验证。


低电压标准组件库电路设计及办法

缩短蒙地卡罗的模拟验证时间

M31导入快速蒙地卡罗模拟工具,并且针对不同电路,制定设计标准(criteria),在蒙地卡罗的验证下,定义变异系数σ/μ必须小于10%,确保内部讯号变化量不会超出10%,提升开发效率以及电路在低电压操作下的稳定性。

电路的关建路径不采用组件最小宽度(device min. width)

组件(device)的宽度(width)越小,制程变异量越大,因此低电压操作的标准组件库电路,在关键的传递路径(critical path)将不采用最小宽度的组件,确保内部讯号的变异量能维持较为理想的状态。

 

采用多指组件(Multi-finger device) 

操作在低电压时,制程变异量增大,如果采用多指组件时,能将变异量分散到各个组件,此时单指组件的最差变异量(worst variation),不会发生在多指组件中,进而减低制程变异量,如图1。

低电压

图1 单指/多指组件

 

采用堆栈闸(stack gate)正反器

传统传输闸正反器(transmission gate, TG),由两组栓锁器(latch)所组成,当频率讯号正源触发时,由于操作电压降低,导致频率讯号转换(transition)时间拉长,两组栓锁器同时打开,内部节点对抗(fighting)时间拉长,并且由于电压降低,第1组栓锁器储存的讯号1电压较低,在对抗期间,第2组栓锁器的讯号0会写回去第1组栓锁器,造成电路误动作,如图2所示。

为了解决以上问题,M31在低电压设计中,采用堆栈闸正反器,将传输闸更改为堆栈闸,当频率讯号正源触发时,由于采用堆栈式架构,第2组栓锁器的内部节点没有路径可以写回第2组栓锁器,故堆栈闸正反器相较于传统传输闸正反器,操作电压较低。

 

低电压

图2 传统传输闸正反器低电压操作波形

 

模块精准度

M31提供标准组件库的漏电(leakage)、延迟时间(delay time)、功率(power)….等模块,描述电路特性,以利用户进行静态时序分析(Static Timing Analysis, STA),针对延迟时间,模块会提供不同转换(slew)的输入讯号(e.g. 7个点)的延迟时间,STA会利用内差公式,计算出不同转换输入讯号的电路延迟时间,在标准电压操作下,延迟时间会根据不同的转换输入讯呈线性递增,然而当操作在低电压时,延迟时间已不在是线性递增,此时将导致内差公式得出的值,偏离实际值,如图3所示。

低电压

图3不同转换(slew)的电路延迟时间

 

为了解决以上问题,M31在不同转换输入讯号点与点之间的范围(range),利用相关性(correlate)公式,式1,将线性内差公式得出的值与实际值进行比对,越接近1代表关联性越高,模块越精确,当小于0.9时,M31会在此范围多提供1组转换输入讯号的电路延迟时间在模块里,进而提升模块的精准度,如表1所示。

低电压

…………………………………………………………………...式1

表1 相关性(correlate)改善结果

CORRELATE

 

old

proposed

Range1

0.999988

0.999301

Range2

0.999339

0.997777

Range3

0.99927

0.997204

Range4

0.99779

0.995099

Range5

0.987776

0.998314

Range6

0.853581

0.986981

 

总结

相对于标准电压,低电压标准组件库的设计,面临了制程变异以及模块的精准度等挑战,皆是设计者必须进一步考虑要点。M31提出了缩短开发时程、组件/电路低电压操作改善方法以及提升低电模块精准度方案,能提供具竞争力的低电压标准组件库。

 

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