LVL (Level shift cell) power gating /power switch / Isolation

转自吾爱社区http://www.52-ic.com/?p=244

吾爱IC社区近期发布了基于28nm工艺的ARM Cortex-A53 CPU的数字后端实现教程。看到粉丝们反馈的好评，特别欣慰。小编会一如既然继续码字，继续分享更多数字后端设计实现方面的技术干货。今天为大家带来低功耗技术中的一些经验分享。

Power gating 概述

Power gating是深亚微米技术中的低功耗技术之一。它是通过关闭设计中部分电路（不需要工作时）来实现的，以减少设计中的静态（泄漏）功率。要实现这个功能Power switch可以完全胜任。它的原理是将VDD或GND与特定设计层次结构的标准单元分开。下图为一个典型power gating系统。

通常有两种类型的Power switch cell，分别为Footer和Header两种类型。Footer结构类型是通过VSS的开关来实现标准单元的开与关，而Header结构类型则是通过VDD的开关来实现标准单元的开与关。在实际应用中，因为其leakage低和实现的便利性，往往都是选用Header类型的Power switch cell。

 

Power switch 结构

Power Switch的结构有fine grain power gating和coarse grain power gating两种类型。

fine grain power gating是指将每个switch都放在cell内部。这样使得面积增大1x-3x。优点是IR drop可以更小。

而coarse grain power gating则是在design中加入一些power switch cell来控制std cell的开和关。这种做法的优点是面积适中，缺点是power switch cell本身的压降会偏大。

因此，在实际项目应用中，大部分都是采用coarse grain power gating方式。

Placement要求

这些Power switch cell必须在floorplan 阶段添加进来，而且必须将其global 和local power ground pin 连接到power mesh 上。Header类型的power switch，一般有一个Global VDD（VDD），一个Local VDD(VDD_GATED)，SLEEP信号和ACK信号。

在实际应用中，我们会在模块中规划一个Power Switch Network。这个power switch network由外面的Power Control模块来控制power gating模块的开启与关断。整个power switch network是由一堆的MTCMOS级联而成的。

Power switch cell之间必须确保都是经过always on的domain。同时需要确保Power switch cell transition没问题，保证可以正常开启和关断。如果在后期发现MTCMOS之间存在transition违例，则需要插入always on buffer来解决transition问题（这种情况应该尽量避免）。

Power switch cell 数量

每个模块中应该加多少个MTCMOS，是非常有讲究的。加的太多会导致面积过大，routing resource也会相应减少，影响绕线和时序。加的太少又会影响IR Drop过大。

IR Drop分析之Redhawk分析流程

所以，我们需要事先估算下模块中理论上需要加多少数量，然后再加一定的margin，就可以得出我们最终需要添加的MTCMOS数量（最终要以Redhawk分析结果为准）。这个方法是吾爱IC社区小编一直在用的方法，实践表明IR Drop结果符合预期。

计算方法：

 

1.根据预估功耗和供电电压，计算出模块理论上所需要的总电流

2.再根据MTCMOS的电阻和其本身所能允许的最大压降值，算出理论上所需MTCMOS的数量

3.将所需要MTCMOS数量乘以1.3（预留margin），得出最终需要添加的MTCMOS数量

 

Low power cell

 

Isolation cell

在SOC系统中，当一个信号从一个power domain穿过AON Block，需要用到isolation cell，如下图所示。当信号从PD2穿到AON block时，防止PD2 shut off后将不稳定的状态传到AON Block，需要将PD2所有output端加isolation cell，且ISO cell必须添加在always on domain。这个isolation cell其实等效于一个buffer。与buffer不同的地方在于，这个ISO cell还有一个clamp 使能信号，可以将PD2不稳定或者X态，clamp成一个固定值。根据不同的设计需求，可以将其clamp为0或者1。

对于数字后端实现而已，这个Isolation cell需要在综合阶段编写upf，让工具自动插入。在布局布线阶段，需要将ISO cell的input  pin设置dont_touch，防止在PD2 输出信号和ISO cell之间插buffer。

 

Level shift cell

当信号从低压Domain传输到高压Domain时，PMOS管栅极处的较低电压可能会导致栅极不完全关断，从而导致异常的泄漏电流。因此，当信号在跨电压域传输时，需要加Level shift cell。比如当信号从AON block传输到PD1时，需要加Level shift。当信号从PD1传输到PD2时，由于PD1是power gating模块，所以需要在PD1和PD2之间加带Isolation 功能的Level shift cell（ELS）。

对于数字后端实现而言，我们主要关注的是Level shift cell的power连接和placement的要求。Level shifter是两条row高度的cell，其中含有VDD，VSS和VDDL(VDDH)。VDDL和VDDH是secondary power pin。在画power时，需要将其画成一个额外的power rail，确保每个Level shift cell secondary power pin的正常供电。

Level shift cell的placement主要考虑cell的transition。所以建议用magnet_placement来实现。同样还需要注意各种电压域跨越时，level shift cell 的input 和output需要设置dont_touch，防止工具插buffer。

如果你对isolation cell和level shift cell的placement和power连接还有疑问，欢迎前往小编知识星球提问，手把手教会。

小编知识星球简介：

在这里，目前已经规划并正着手做的事情：

• ICC/ICC2 lab的编写
• 基于ARM CPU的后端实现流程（已经发布）
• 利用ICC中CCD（Concurrent Clock Data）实现高性能模块的设计实现（已经发布）
• 其他内容待定

在这里，各位可以就公众号推文的内容或者实际项目中遇到的难题提问，小编会在24小时内给予解答（也可以发表你对数字后端设计实现中某个知识点的看法，项目中遇到的难点，困惑或者职业发展规划等）。

反正它是一个缩减版的论坛，增强了大家的互动性。更为重要的是，微信有知识星球的小程序入口。星球二维码如下，可以扫描或者长按识别二维码进入。目前已经有二十三星球成员，感谢这二十三位童鞋的支持！欢迎各位铁杆粉丝加入！终极目标是打造实现本知识星球全员年薪百万的宏伟目标。（星球的门槛将会越来越高，有需求的朋友趁早上车）