如何在后版圖網(wǎng)表上優(yōu)化泄漏功率

摘要

　　隨著泄漏功耗成為待機(jī)模式下的主要能耗，降低泄漏功耗也成為客戶(hù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的主要途徑之一。故現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)流程中需要采用快捷的解決方案，不僅對(duì)設(shè)計(jì)收斂影響最小，還應(yīng)盡可能地縮短執(zhí)行的匯聚時(shí)間。

　　建議的方案適合于那些采用雙/三重 Vth (閾值電壓) 技術(shù)、無(wú)需對(duì)現(xiàn)有 RTL 至 GDS 流程做任何修改的設(shè)計(jì)。

　　引言

　　泄漏功耗是固有的靜態(tài)功耗，與開(kāi)關(guān)及內(nèi)部功耗 (定義為動(dòng)態(tài)功耗) 共同構(gòu)成總體功耗。

　　泄漏功耗與應(yīng)用無(wú)關(guān)，主要是來(lái)自于：

　　● 源漏亞閾值 (sub-threshold) 電流，這是閾值電壓降低以致溝道不完全關(guān)斷的結(jié)果。

　　● 柵極到溝道的泄漏電流。

　　在多Vth技術(shù)中，亞閾值電流與Vth成指數(shù)關(guān)系，故低Vth單元的速度更快，但泄漏功耗也要大得多。

　　隨著工藝尺度的縮小，這種情況愈加嚴(yán)重，而且在90nm及以下工藝節(jié)點(diǎn)，對(duì)大多數(shù)移動(dòng)應(yīng)用而言，這一問(wèn)題越來(lái)越顯著。

　　降低泄漏功耗是一項(xiàng)貫穿架構(gòu)設(shè)計(jì)、VLSI設(shè)計(jì)、綜合、PR (布局布線(xiàn)) 直至Signoff (完成) 的任務(wù)。

　　功率設(shè)計(jì)包括減少關(guān)鍵和次關(guān)鍵路徑的數(shù)量，以便在可能時(shí)讓更多的單元被映像到高Vth上。

　　智能綜合 (smart Synthesis) 與PR的使用對(duì)設(shè)計(jì)的最終泄漏模式也有很大影響。

　　本文介紹的泄漏減少方法焦點(diǎn)在于流程實(shí)現(xiàn)的最后階段，而且，雖然它主要是針對(duì)PrimeTime編寫(xiě)，卻并不局限于某個(gè)專(zhuān)用PR/Signoff工具。

　　方法描述

　　1.全流程概述

　　這種泄漏功耗優(yōu)化方法瞄準(zhǔn)最后階段的后版圖設(shè)計(jì)工作。其概念是讓設(shè)計(jì)利用基于多個(gè)Vth的交換策略，提前一步實(shí)現(xiàn)最大泄漏的優(yōu)化。

　　圖1是整個(gè)流程的模塊示意圖，其中黃色和褐色矩形框代表泄漏優(yōu)化。這個(gè)用于驗(yàn)證客戶(hù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行在PrimeTime/StarExtract原始signoff環(huán)境下。

　　這種方法在完整的RTL至GDSII流程之后讓最終設(shè)計(jì)進(jìn)入原始signoff環(huán)境，然后開(kāi)始搜索那些能夠被交換到相應(yīng)的更高Vth而又不會(huì)影響設(shè)計(jì)性能的單元。

　　基本上，這意味著這種優(yōu)化將在設(shè)計(jì)的正Slack (時(shí)間裕量) 路徑上進(jìn)行。

　　在優(yōu)化過(guò)程中，需檢查下列設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　● 建立時(shí)間違反

　　● 設(shè)計(jì)規(guī)則，如最大傳輸時(shí)間 (max_transition) 違反和最大電容 (max_capacitance) 違反

　　● 由衰減受害者 (victims) 引起的串?dāng)_ (Crosstalk) 違反

　　● 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò) (Clock nets) 設(shè)計(jì)規(guī)則

　　● 不應(yīng)被接觸或改變的特殊單元和結(jié)構(gòu)

　　● 不同模式和邊角 (比如功能性/測(cè)試模式WC/BC 等)

　　泄漏減少流程的第一個(gè)階段 (即示意圖中的黃色矩形框) 是優(yōu)化流程中主要的耗時(shí)部分，并涉及利用PrimeTime“what-if”分析的搜索和交換策略。這一步驟會(huì)反復(fù)進(jìn)行，直到找到所有適合交換的單元。

　　優(yōu)化流程的第二階段 (即示意圖中的褐色矩形框) 是后版圖設(shè)計(jì) (ECO) 上的交換執(zhí)行，RC提取 (RC-Extraction) 和整個(gè)STA 運(yùn)行，并重新運(yùn)行全部signoff 環(huán)境。

　　優(yōu)化流程在這一階段對(duì)“what-if”分析與全部RC提取之比較后發(fā)現(xiàn)的違反錯(cuò)誤進(jìn)行修正。與PrimeTime的快速計(jì)算以及總體運(yùn)行時(shí)間減小的的優(yōu)點(diǎn)相比，這些錯(cuò)誤就相對(duì)不起眼了。因此，這一步驟的反復(fù)次數(shù)應(yīng)該較小。該階段的缺點(diǎn)是需要重新運(yùn)行完整提取，從而增加總體運(yùn)行時(shí)間。

　　在所有違反都得到修正 (第二階段) 之后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的輸出在功能性上與原始的設(shè)計(jì)版圖相同，但大大減少了不必要的低/標(biāo)準(zhǔn)Vth單元，因此降低了功耗。

　　這種方法節(jié)省的總體功耗取決于RTL編碼以及RTL-to-GDS實(shí)現(xiàn)流程早期階段的泄漏意識(shí)。不過(guò)，利用這種流程可確保設(shè)計(jì)在Signoff要求方面得到最大限度的優(yōu)化。這個(gè)問(wèn)題十分重要，因?yàn)閷?shí)際實(shí)現(xiàn)和Signoff優(yōu)化之間總是存在差距，而在優(yōu)化流程之后，這一差距可被減小。

　　2.交換算法

　　這種方法的目的是盡可能找出非時(shí)序關(guān)鍵路徑 (即正Slack路徑) 上的低/標(biāo)準(zhǔn)Vth單元，并用高Vth單元來(lái)替代，同時(shí)不影響時(shí)序或任何其它設(shè)計(jì)要求。