第13讲LP设计方法学设计流程EDA工具

北大低功耗课件

上手机 关了吗？

课

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讲义内容LP需求、必要性 功耗度量 功耗源 工艺级LP技术 电路级LP技术 逻辑(门)级LP技术 RTL级LP技术 体系结构级LP技术 便携和电池，散热和封装制冷成本，器件极限和 可靠性、性能极限，环保 跳变能耗、峰值功耗、平均功耗、功耗延迟积 动态、泄漏、短路、静态 封装、低VDD、多VDD、多VT 低摆幅，电荷循环利用 逻辑风格 降低gltich、信号同步、门控时钟 并行、流水线、预计算

算法级LP技术系统级LP技术 模拟实现还是数字实现？

减运算，运算替换，编码异步电路，功耗管理，动态电源电压调整，门控 模拟LP设计影响因素，数/模选择原则 LP设计方法学、设计流程、库、EDA厂家 工具介绍

EDA技术

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上一讲 SOC LP设计实现– – – – – 系统级 算法级、结构级 RTL级 门级 工艺和器件级 泄漏功耗 动态功耗

– EDA工具如何协助进行SOC的LP设计

考虑SOC测试的LP设计

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第13讲 LP设计方法学与设计流程 EDA工具

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本讲内容 设计方法学 功耗建模、分析和优化 LP设计流程 LP设计对EDA工具的要求 单元模型的革新 各公司LP EDA工具简介– – – – Synopsys Magma Cadence Mentor

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功耗会影响到的主要方面

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功耗建模、功耗分析、功耗优化 功耗建模– 为器件、单元库、电路模块、IP建立功耗模型 抽象层次越低，功耗模型越准 – 用于功耗分析和优化

功耗分析– 根据电路功耗模型来估算电路的功耗 – 功耗估算方法 统计估算、概率估算、基于仿真的估算 – 抽象层级越高，功耗模型越不准，但功耗分析时间越短

功耗优化– 针对时序、面积、功耗、可靠性等设计约束，在满足其他约束前提 下，实现最低功耗设计

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设计流程的变迁

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对EDA的要求 支持功耗建模– SPM、ECSM等 – 库单元、IP

支持功耗分析– 精度要够 模型精度和工具计算精度

– 支持早期功耗分析，及早发现功耗、可靠性问题，及早解决

支持功耗优化– 支持功耗、面积、速度、可靠性等同时优化 – 支持多阈值、变阈值、多电压、变电压、门控时钟等技术 – 支持可测性

支持功耗/电源完整性验证– 电源网络的综合、优化，解决电源(功耗)完整性问题 – 解决IR压降和电迁移问题，保证建立和保持时间满足设计要求

高速度分析、优化、验证，缩短设计周期 平台化，相关的各子工具之间无缝接口– 统一数据库、数据模型等，不需要数据转换、数据传输等费时费力 – 非常重要，用不统一的工具组做设计会潜藏着设计缺陷，极端费力

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对EDA的要求 当代SOC中的动态压降问题比以往严重– 特征尺寸减少，线

宽变窄，电源线/地线的电阻率高，IR严重，必须进 行电源完整性检查；若采用过宽的电源布线，则浪费面积 – 对于90nm及以下工艺，它们对时序(建立和保持时间等)有重要影响， 占延迟敏感度的10-15。仅仅对电源网络进行静态分析不够，还必须进行 动态分析 静态时，IR降稳定，各cell电源电压与电源PAD电压有差异 动态时，电源线和地线上有瞬态大电流，IR降很大，各cell电源电压与电源 PAD电压差距很大，延迟变化很大，时序出错；噪声容限下降

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对EDA的要求 当代SOC中的电迁移问题比以往严重– 特征尺寸小，电流密度大 – 电子风导致金属离子迁移，“上游”金属线产生空洞，“下 游”堆积，日积月累会出现金属线“开路”或相邻金属线 “短路” – 电源线/地线的电阻率变大，IR降加大，单元的实际VDD降低， 实际的GND增大，导致单元延迟加大，噪声容限降低，出现 功能和时序错误

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EDA还需解决功耗不均匀引起的温度效应 功耗不均匀带来的问题-片上温度不均匀– SOC采用90nm以下工艺制造，高性能、高集成、高密度、高 频率，功耗很大，局部功耗密度不同，片上温度不均匀 数字IC的片上温差可达50度，金属层的温差更大

片上温度问题– 片上温度是功耗分布、材料、材料尺寸、封装、环境温度等 的函数 从功耗密度和功耗分布很难推出温度分布图；实际的温度分布图 发现，最高温区域未必是功率密度或功耗最高的地方

– 以前是二阶效应，可以用简单的corner解决 假设片上温度相同来分析电特性；在若干不同温度下(corner) 仿真，通过即可

– 现在是一阶效应，分析起来比较困难

必须考虑热和温度梯度及对电路电性能的影响– 需要研究考虑温度影响的新的设计方法，以使芯片功能正确 并提高一次投片成功率

温度不均匀会影响功耗估算、信号时序、时钟偏斜、 串扰噪声、压降、寿命等

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一个实际芯片的温度分布图 考虑了压金丝的制冷效应(它把热从衬底导到封装 上),压焊线连接到TQFP封装的Cu引线框上

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温度对泄漏功耗的影响 影响泄漏电流的估算– 最新工艺的亚阈值泄漏随温度指数增大，采用“相同温度” 模型分析泄漏功耗会带来指数性偏差 – 若实际工作时芯片各处温度估算不准，会使得设计师不得不 留出足够性能余量 – 泄漏电流随温度上升而指数增大，又随VDD下降而下降，因 此，要准确估算泄漏功耗需要计算局部温度和电压降

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温度对IR降的影响 电压降– 金属电阻率随温度变化，泄漏电流随温度变化，从而影响电 源电压，导致时序偏差 – 下图，延迟偏差是温度和IR降的函

数

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温度对串扰、电迁移的影响 信号串扰– 因为温度影响了时序、温度导致阈值电压下降(降低噪声 容限)、温度会导致器件驱动能力的下降

温度使电迁移更糟– 金属在大电流密度时迁移，导致空洞、断路，或金属线间 短路 – 不考虑温度偏差，会使电迁移估计不准