低功耗设计单元汇总

为实现低功耗设计，会采用多电源域、多电压域、动态电压调节等策略，需要使用到电压控制单元，包括：isolation、level shifter、power switch、always-on、retention等，下面介绍学习的一些低功耗单元概念、lib格式和pg_type的三种类型。

低功耗单元汇总

isolation cells

隔离单元，用于在电源关断之后，保持输出为定值。用在shut-off电压域的输出。可以防止不定态信号值传播引起下级逻辑错误，和当电压在0.5 VDD附近时造成的短路功耗。

按照放置的位置可以分为sink-side和source-side。其中sink-side指的是放在always-on电压域的单元，里面只有一个供电电源，即always-on的电源。source-side指的是放在可关断电压域的单元，里面有两个供电电源，shutoff电源和always-on电源。

按照结构可以分为AND-type、OR-type和Latch-type类型的单元。

因此组合可以分文sink-side AND-type isolation cell、sink-side OR-type isolation cell、sink-side latch-type isolation cell、source-side AND-type isolation cell with global power、source-side OR-type isolation cell with global power、source-side latch-type isolation cell with global power等。

level shifter cells

电压转换单元，用于将信号从一个电压域转移到另一个电压域。一般用于低电压域到高电压域的转换：因为假如低电压域输出0，那么能够正常控制高电压域的NMOS关闭和PMOS开启，如果低电压域输出1，因为电压较低，一般来说能够控制高电压域NMOS开启，但是不能控制PMOS关闭，造成短路。

power switch cells

电源开关，能够打开/关闭电压域的供电电源，分为header（通过PMOS控制VDD开关）和footer（利用NMOS控制VSS开关，该库没有这一类型）。

学习了4种类型的HEADER结构的power switch cells。包括：

HEADER： switch connects the local power with global power，最基础版，只有一个输入使能。

HEADERBUF：switch with always-on buffer that connects the local power with global power，高级点的，有输入使能和输出。

HEADERBUFTIE:：switch with always-on buffer that connects the local power with global power, the n-well and p-well are tied to VDDG and VSS respectively，在HEADERBUF基础上给nwell和pwell加了偏置。

HEADERTIE:，switch that connects the local power with global power, the n-well and p-well are tied to VDDG and VSS respectively，在HEADER基础上加了nwell和pwell偏置。

always-on cells

该电源供电来源于不会被关断的电源域，但是可以被摆放到shut-off电源域，用于驱动always-on net。其结构是shutoff的VDD和VSS在基本单元版图中为feedthrough形式，仅用于连接power rail保证不断路，真正的供电电源为VDDG（backup power）。

类型：

TIEHI、TIELO、二输入与或门、反相器、延时单元、BUF等。

Retention cells

能够在电源关断的情况下保持状态。是时序逻辑，有两种类型：flip-flop和latch。

没找到retention cell的详细结构。

特殊单元

FILLDCAP：为了防止大量标准单元翻转造成的voltage drop问题。其原理是电容公式为C=εS/4πkd，通过下面的版图，增大了S，降低了d，因此提升了VDD和VSS之间的电容，能够维持电源稳定。

此外还有为nwell和pwell提供偏置电压的特殊单元。

LIB举例：

            sink-side isolation：

cell(A2BISO) { 

cell_footprint : A2BISO ; 

dont_touch : true ; 

dont_use : true ; 

is_isolation_cell : true ; 

sec_class : combinational ; 

sec_cell_type : clamp ; 

valid_location : to ; 

leakage_power

...

pg_pin(VDD) { 

voltage_name : VDD ; 

pg_type : primary_power ; 

related_bias_pin : "TW" ; 

}

...

pin(Y) { 

direction : output ; 

function : "(A&!ENB)" ; 

related_ground_pin : VSS ; 

related_power_pin : VDD ; 

power_down_function : "!VDD+VSS" ; 

sec_pin_type : data ; 

internal_power

timing

...

}

...

sec_pdt_pin(VDD) { 

sec_pdt_pin_type : power ; 

}

...

}

source-side isolation：

cell(GPA2BISO) { 

cell_footprint : GPA2BISO ; 

dont_touch : true ; 

dont_use : true ; 

is_isolation_cell : true ; 

sec_class : combinational ; 

sec_cell_type : clamp ; 

valid_location : from ; 

leakage_power()

...

pg_pin(VDD) { 

voltage_name : VDD ; 

pg_type : primary_power ; 

related_bias_pin : "TW" ; 

}

pg_pin(VDDG) { 

voltage_name : VDDG ; 

pg_type : backup_power ; 

}

...

pin(A) { 

direction : input ; 

related_ground_pin : VSS ; 

related_power_pin : VDD ; 

isolation_cell_data_pin : true ; 

internal_power

...

}

}

pin(ENB) { 

direction : input ; 

input_voltage : alwaysonpower ; 

related_ground_pin : VSS ; 

related_power_pin : VDDG ; 

isolation_cell_enable_pin : true ; 

sec_pin_type : enable_low ; 

always_on : true ; 

internal_power

...

}

}

pin(Y) { 

direction : output ; 

function : "(A&!ENB)" ; 

output_voltage : alwaysonpower ; 

related_ground_pin : VSS ; 

related_power_pin : VDDG ; 

power_down_function : "!VDD+!VDDG+!TW+VSS+VPW+SX" ; 

always_on : true ; 

internal_power

...

timing

...

}

sec_pdt_pin(VDD) { 

sec_pdt_pin_type : power ; 

}

...

}

Power Switch:

cell(HEAD) { 

cell_footprint : HEADL ; 

dont_touch : true ; 

dont_use : true ; 

switch_cell_type : coarse_grain ; 

sec_cell_type : complex ; 

user_function_class : HEAD ; 

leakage_power

...

dc_current(ivt125x25) { 

related_switch_pin : SLEEP ; 

related_pg_pin : VDDG ; 

related_internal_pg_pin : VDD ; 

}

pg_pin(VDD) { 

voltage_name : VDD ; 

pg_type : internal_power ; （power switch的内部输出电源）

direction : output ; 

switch_function : "SLEEP" ; 

pg_function : "VDDG" ; 

}

pg_pin(VDDG) { 

voltage_name : VDDG ; 

pg_type : primary_power ; （power switch使用的电源）

}

...

pin(SLEEP) { 

direction : input ; 

input_voltage : header ; 

related_ground_pin : VSS ; 

related_power_pin : VDDG ; 

switch_pin : true ; 

always_on : true ; 

...

}

sec_pdt_pin(VDD)

...

}

pg_type的3种类型

    primary_power/ground：

主电源/地，一般功能信号使用的电源/地，可关断

    backup_power/ground：

备用电源/地，always-on的电源/地

    internal_power/ground：

内部电源/地，主要用于power switch的电源/地

审核编辑：黄飞