低电压标准组件库操作设计方案

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。

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。

 

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。

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。

…………………………………………………………………...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。