基于門控時鐘的低功耗電路設(shè)計方案

集成電路工藝節(jié)點(diǎn)的提升帶來了芯片集成度的極大提高，同時也導(dǎo)致了功耗的急速增加。另外，市場對電子設(shè)備的大量需求使得系統(tǒng)功耗成為系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)，功耗的高低成了芯片廠商競爭力的焦點(diǎn)之一，功耗控制與管理已成為絕大多數(shù)芯片廠商首要考慮的問題。SoC設(shè)計的功耗包含兩部分:靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要由泄漏電流引起，在130 nm工藝下，靜態(tài)功耗相對較小，可以忽略不計。動態(tài)功耗主要包括短路功耗和翻轉(zhuǎn)功耗，是本設(shè)計功耗的主要組成部分。短路功耗即內(nèi)部功耗，指由器件內(nèi)部由于P管和N管在某一瞬間同時導(dǎo)通引起的瞬時短路引起。翻轉(zhuǎn)功耗由CMOS器件的輸出端負(fù)載電容充放電引起。芯片工作時，很大一部分功耗是由于時鐘網(wǎng)絡(luò)的翻轉(zhuǎn)消耗的，如果時鐘網(wǎng)絡(luò)較大，這部分引起的功耗損失會很大。在眾多低功耗技術(shù)中，門控時鐘對翻轉(zhuǎn)功耗和內(nèi)部功耗的抑制作用最強(qiáng)。本文主要講述門控時鐘技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。另外，基于高閾值單元具有較低的功耗，設(shè)計采用高閾值單元庫。

　　1　門控時鐘技術(shù)的基本原理

　　對于一個設(shè)計中的寄存器組，經(jīng)DC編譯后一般會生成如圖1所示的電路。由圖1可以看出，當(dāng)EN為1時， DATA_ IN的值由多路開關(guān)傳至寄存器組的數(shù)據(jù)輸入端，當(dāng)CLK上升沿來臨時，傳至DATA_OUT。當(dāng)EN為0時， OUTPUT保持不變。但由于時鐘信號CLK的翻轉(zhuǎn)，寄存器組會持續(xù)在CLK的上升沿來臨時讀取數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)，而這時讀取的數(shù)據(jù)是不變的，這就消耗了額外的功耗。

　　為保證此時寄存器組不受時鐘翻轉(zhuǎn)的影響，可在EN信號為0時關(guān)斷寄存器組的時鐘輸入端，使其不受CLK端的變化而變化，這一操作可通過門控時鐘技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。圖中的門控單元由一個Latch和一個與門組成。門控單元也可以采用非latch結(jié)構(gòu)，直接由與門或或門組成。但由于這種電路會引發(fā)毛刺，故此處采用基于Latch的門控單元電路。插入門控時鐘后，當(dāng)EN為1時， Latch單元在時鐘低電平時將EN鎖存至ENL，時鐘上升沿來臨時， ENCLK隨CLK變化，寄存器組執(zhí)行正常的讀入讀出操作。當(dāng)EN為0時，寄存器時鐘輸入端ENCL保持為0，不隨源時鐘CLK的翻轉(zhuǎn)而變化，故此時寄存器組不消耗額外功率。

　　由此可見，插入門控時鐘能消除寄存器組冗余翻轉(zhuǎn)引發(fā)的內(nèi)部功耗，同時由于多路選擇器組被一個基于latch的門控單元代替，所以也減小了電路的面積。

　　另外，為了進(jìn)一步減小設(shè)計的功耗，可采用一些特定的門控技術(shù)。目前應(yīng)用比較廣泛的有多級門控時鐘，層次化門控時鐘等。在多級門控時鐘技術(shù)中，一個門控單元還可用來驅(qū)動其他一個或一組門控單元。這樣就通過分級控制減少了門控單元的數(shù)目，而且這種方法可組合盡可能多的寄存器組使得門控單元向頂層靠近，節(jié)省更多功耗。

　　2　門控時鐘的物理實(shí)現(xiàn)

　　電路在功能仿真通過后，開始進(jìn)行寄存器級綜合。采用高閾值標(biāo)準(zhǔn)單元庫和多級門控時鐘技術(shù)相結(jié)合，在RTL階段插入門控時鐘單元，并在布局布線時在IC Compiler中進(jìn)行了基于門控時鐘的布局布線優(yōu)化，布局布線正確完成仿真通過后，在PT中做靜態(tài)時序分析并進(jìn)行最終的功耗分析。以下分三個部分講述。

　　2. 1　時鐘門控的RTL級實(shí)現(xiàn)

　　在RTL級，門控時鐘的實(shí)現(xiàn)不需要對設(shè)計本身進(jìn)行修改，而只需在綜合腳本中加入一些控制項。

　　本文采用多級門控時鐘，相關(guān)的腳本如圖3 所示。

　　圖中，傳統(tǒng)的綜合流程用實(shí)線標(biāo)出。虛線部分為門控時鐘的操作。

　　控制項set_clock_gating_ STyle是門控時鐘的核心。它的參數(shù)大小決定門控時鐘的質(zhì)量，對功耗的優(yōu)化效果和對CTS的影響。目前尚無完備的體系介紹如何設(shè)置控制項以使門控效果達(dá)到最優(yōu)。本設(shè)計中有以下各個參數(shù)的設(shè)置方法。

　　首先確定時序單元的類型。為了避免非Latch單元易產(chǎn)生毛刺的缺點(diǎn)，此處選定時序單元的類型為Latch。由于庫中提供基于鎖存器的門控單元，固正邊沿邏輯positive_edge_ logic采用工藝庫提供的專用單元。采用集成單元的優(yōu)勢在于不僅不需要設(shè)置門控單元輸入端建立時間和保持時間，因為集成單元的時序信息在單元庫中已有說明，而且有效緩解了插入門控單元對延時帶來的不利影響。以下重點(diǎn)闡述實(shí)驗中bi