功率管理優(yōu)化功率的實(shí)現(xiàn) - 全文

??????? 隨著由電池供電的便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品的增長(zhǎng)，IC芯片的功耗已成為了一個(gè)世界性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)者必須通過(guò)配置合適的功率管理系統(tǒng)采用各種辦法來(lái)節(jié)省能量。便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)卻要求工程師開(kāi)發(fā)更有效的節(jié)能系統(tǒng)。隨著消費(fèi)類產(chǎn)品越來(lái)越復(fù)雜，功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜。

　　對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，更長(zhǎng)的電池使用壽命、更長(zhǎng)的通話時(shí)間或更長(zhǎng)的工作時(shí)間都是明顯的優(yōu)勢(shì)，降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術(shù)，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問(wèn)題；對(duì)于有線系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)師可通過(guò)減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來(lái)提高電池效率。有效的功率管理涉及到恰當(dāng)技術(shù)的選擇、優(yōu)化的庫(kù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的使用，以及設(shè)計(jì)方法（圖1）。

　　圖1，有效的功率管理需要選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、庫(kù)和IP設(shè)計(jì)方案以及芯片設(shè)計(jì)方法。

　　功耗在電子設(shè)備中正變得更加重要。功率的損耗。電路中通常指元、器件上耗 散的熱能。有時(shí)也指整機(jī)或設(shè)備所需的電源功率。 功耗同樣是所有的電器設(shè)備都有的一個(gè)指標(biāo)，指的是在單位時(shí)間中所消耗的能源的數(shù)量，單位為W。不過(guò)復(fù)印機(jī)和電燈不同，是不會(huì)始終在工作的，在不工作時(shí)則處于待機(jī)狀態(tài)，同樣也會(huì)消耗一定的能量（除非切斷電源才會(huì)不消耗能量）。

　　MOS晶體管的基本工作

　　為了解功率，讓我們從經(jīng)典的MOS晶體管漏極電流方程開(kāi)始，MOS晶體管是一種新型MOS與雙極復(fù)合型器件。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結(jié)構(gòu)中制作大量MOS器件，通過(guò)MOS器件的通斷來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。雖然這些方程只對(duì)較老的技術(shù)準(zhǔn)確，并且未考慮現(xiàn)代技術(shù)中的亞微米幾何結(jié)構(gòu)引入的各種影響，但它們使人們能了解晶體管的總體行為。

　　圖2，某NMOS FET表明了施加在其端子的電壓。

　　在數(shù)字電路中，當(dāng)晶體管處于接通狀態(tài)時(shí)，它位于飽和區(qū)，此時(shí)漏極至源極電流IDS服從以下方程（圖2）：

　?。?）

　　其中TOX是柵極氧化物厚度，W是晶體管的溝道寬度，L是晶體管的溝道長(zhǎng)度，VGS是晶體管的柵極與源極之間的電壓，VTH是閾值電壓，K取決于工藝技術(shù)。閾值電壓服從以下方程：

　?。?）

　　其中VSB是源極與基底之間的反向偏壓，VFB是平帶電壓（它取決于工藝技術(shù)），γ和ΘS也是取決于工藝技術(shù)的參數(shù)。

　　如果漏極至漏極電壓等于電源電壓，即柵極與源極之間的最大電壓，那么你就能運(yùn)用以下方程來(lái)計(jì)算接通電流：

　?。?）

　　然后可以把有功功率表示為：

　?。?）

　　泄漏功率

　　MOS晶體管中的主要泄漏部分是結(jié)泄漏、柵極泄漏、柵極感應(yīng)漏極泄漏、亞閾值導(dǎo)電。當(dāng)漏極和基底之間或是源極和基底之間的PN結(jié)在晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)下變成負(fù)偏壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)泄漏，此時(shí)由于存在反向偏壓二極管而出現(xiàn)泄漏電流。

　　當(dāng)柵極至漏極重疊區(qū)中的高電場(chǎng)導(dǎo)致帶至帶隧穿，并導(dǎo)致柵極感應(yīng)漏極泄漏電流時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)柵極感應(yīng)漏極泄漏。當(dāng)晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)亞閾值導(dǎo)電；它并非真地處于關(guān)斷狀態(tài)，但由于微弱的反相而導(dǎo)電。亞閾值導(dǎo)電是導(dǎo)致泄漏電流的主要因素。你可把該電流表示為：

　　（5）

　　其中K1、γ、η、N取決于工藝，VT是熱電壓，K1是柵極氧化物厚度的函數(shù)。你可以把柵極至源極電壓設(shè)為0V，并把漏極至源極電壓設(shè)為等于電源電壓VDD，由此獲得晶體管中的關(guān)斷電流或泄漏電流。在這些條件下，由于電源電壓遠(yuǎn)大于熱電壓，因此你可以把下列項(xiàng)

　?。?）

　　近似為1，得出

　　（7）

　　現(xiàn)在可把泄漏功率寫(xiě)成

　?。?）

根據(jù)這個(gè)結(jié)果，你可以看到控制功率的主要參數(shù)是閾值電壓、氧化物厚度、晶體管長(zhǎng)度與寬度、電源電壓、反向柵極偏壓。由于有功功率隨電源電壓的平方而變化，因此降低電源電壓對(duì)降低有功功率具有最大的影響。功率降低速度是電壓降低速度的兩倍，即電源電壓降低20%會(huì)導(dǎo)致有功功率降低40%。其余參數(shù)只是以線性方式影響有功功率。晶體管長(zhǎng)度、寬度或閾值電壓的任何明顯變化都對(duì)晶體管的性能具有不利影響。因此它們?cè)诮档陀泄β史矫鎯H起著很小的作用。從方程5可看到

　?。?）

　　如果ΔVGS = -NVT，則方程變?yōu)?/p>

　?。?0）

　　意味著有效柵極至源極電壓每降低NVT，N對(duì)于某種技術(shù)一般是1～2.5，并且閾值電壓在室溫時(shí)等于26 mV，因此柵極至源極電壓每變化50 mV～75 mV，你都會(huì)看到亞閾值電流降低至2.7分之一。提高閾值電壓具有相同效果。因此，閾值電壓每提高50 mV～75 mV，泄漏電流都會(huì)降低至2.7分之一。閾值電壓提高100 mV～150 mV，會(huì)使泄漏電流降低至7.4分之一。

　　你可以通過(guò)提高反向柵極偏壓來(lái)進(jìn)一步降低泄漏電流。由于存在體偏壓系數(shù)γ，收效會(huì)不太明顯。降低電源電壓也有助于降低泄漏電流。增加晶體管的溝道長(zhǎng)度不僅直接降低泄漏電流（如方程5所示），而且還有助于提高閾值電壓（如方程2所示）。

　　亞閾值電流以指數(shù)形式依賴于溫度。由于NVT項(xiàng)出現(xiàn)在負(fù)指數(shù)的分母中，因此在溫度升高時(shí)，電流會(huì)顯著增加。這種增加會(huì)帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，這是因?yàn)樾孤┕β试诟邷貢r(shí)變成了總功率的重要部分。

　　技術(shù)的作用

　　每一次技術(shù)進(jìn)步的目標(biāo)都是為了改善性能、密度和功耗。工藝設(shè)計(jì)者調(diào)整施加的電壓和氧化物厚度來(lái)保持相同電場(chǎng)。該途徑在每個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)都會(huì)使功率降低大約50%。但是，隨著電壓的降低，閾值電壓也必須降低，來(lái)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的性能目標(biāo)。

　　由于無(wú)法立即同時(shí)在性能和泄漏方面優(yōu)化某種技術(shù)，因此每種技術(shù)通常會(huì)有兩個(gè)變種。一個(gè)變種針對(duì)高性能，另一個(gè)針對(duì)低泄漏。二者的首要區(qū)別是氧化物厚度、電源電壓和閾值電壓。柵極氧化物較厚的技術(shù)變種面向低泄漏設(shè)計(jì)，并且必須支持更高的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)合理性能。

　　方程2表明了依賴于工藝的參數(shù)γ和ΘS，你可以操縱它們來(lái)控制閾值電壓。這些參數(shù)取決于雜質(zhì)濃度，工藝設(shè)計(jì)者可使用一個(gè)額外的注入掩模來(lái)調(diào)節(jié)該濃度。然后你可以運(yùn)用該方法來(lái)控制設(shè)計(jì)方案的泄漏功率。

　　在選擇技術(shù)來(lái)優(yōu)化特定設(shè)計(jì)的功率時(shí)，你必須同時(shí)考慮兩個(gè)方面：需要使用更小的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)降低有功功率；需要使用低泄漏的變種來(lái)降低泄漏。但在成本和風(fēng)險(xiǎn)方面需要折中。

　　更小的幾何結(jié)構(gòu)需要在掩模成本和其它一次性工程支出方面投入更多的初始資金。雖然它們憑借每塊晶圓可生產(chǎn)出更多器件而具有單位成本優(yōu)勢(shì)，但它們也在工藝和設(shè)計(jì)成熟度方面帶來(lái)了更高風(fēng)險(xiǎn)。如果設(shè)計(jì)方案包含SERDES等復(fù)雜電路，或是該工藝中新出現(xiàn)的其它敏感的塊，那么設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)可能很高。新技術(shù)的工藝缺陷通常是在它投產(chǎn)一年或更久之后被全部消除，然后成品率會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。

　　問(wèn)題的答案取決于功率的性質(zhì)和最終應(yīng)用。如果最終應(yīng)用是由電池供電，那么你必須使泄漏最小化。例如，如果你能關(guān)斷處于待機(jī)模式的設(shè)計(jì)方案，那么它就不需要低泄漏工藝，這是因?yàn)槟憧梢躁P(guān)斷高性能系統(tǒng)中的電路，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)低泄漏的好處。

　　低泄漏工藝需使用更高的電壓，并且一般具有更大的面積，因此對(duì)于相同性能，會(huì)消耗更大的有功功率。因此對(duì)于低泄漏工藝選擇工作，泄漏功率是首要推動(dòng)因素。當(dāng)泄漏功率在設(shè)計(jì)方案的工作期間成為總功率的重要部分，或是當(dāng)設(shè)計(jì)方案對(duì)待機(jī)模式的功率（泄漏起著主導(dǎo)作用）有嚴(yán)格要求時(shí)，選擇低泄漏工藝就能滿足這些要求。在其它多數(shù)情況下，你可以選擇標(biāo)準(zhǔn)工藝，用它和多種電路設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化功率。

　　電路設(shè)計(jì)方法

　　一旦你選擇了某種技術(shù)后，你就能專注于設(shè)計(jì)方法，用它們來(lái)優(yōu)化功率。開(kāi)始是數(shù)字電路中的基本構(gòu)件：邏輯門(mén)。邏輯門(mén)一般是標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的零件。標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中的每個(gè)門(mén)都使用最小的晶體管。每類門(mén)都有多個(gè)具有不同驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的版本，它們采用更寬的晶體管或多個(gè)級(jí)來(lái)獲得更大的驅(qū)動(dòng)電流。由于控制有功功率的主要參數(shù)是電源電壓，因此單元設(shè)計(jì)者一般會(huì)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)邏輯門(mén)并賦予它們適當(dāng)?shù)奶卣?，使它們的工作電壓比電源電壓?0%。該電壓具有性能上的含義。降低電源電壓可產(chǎn)生更小的電流，導(dǎo)致相同電容的充電和放電時(shí)間更長(zhǎng)。但是，如果設(shè)計(jì)方案并未觸及特定技術(shù)的底線，那么這種減速是可接受的。

　　提高閾值電壓就能降低器件中的泄漏電流。你可以用包括標(biāo)準(zhǔn)、高、低閾值電壓器件在內(nèi)的多閾值電壓器件來(lái)設(shè)計(jì)邏輯門(mén)，由此控制泄漏功率。目前，用多電壓閾值器件來(lái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)是常見(jiàn)做法。對(duì)于你用標(biāo)準(zhǔn)、高和低閾值電壓器件實(shí)現(xiàn)的與非門(mén)，在泄漏和性能之間存在折中（圖3）。

　　圖3，泄漏和功率之間存在折中。

　　下一個(gè)因素是溝道長(zhǎng)度。單元設(shè)計(jì)者用最小溝道長(zhǎng)度的器件創(chuàng)造標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中的邏輯門(mén)。通過(guò)增加溝道長(zhǎng)度，你可以降低器件中的泄漏電流，但這么做也會(huì)降低晶體管的導(dǎo)通電流并使它減速，標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)提供商最近創(chuàng)造了一些具有多種溝道長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)單元。多閾值電壓器件和多種溝道長(zhǎng)度共同提供了一個(gè)豐富的功率管理標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)。

　　另一種方法是反向偏壓。傳統(tǒng)上，數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)者把MOS晶體管看作是三端子器件，其中的基底連接到源極。結(jié)果，反向偏壓始終為0 V。通過(guò)把基底作為單獨(dú)的端子，并施加反向偏壓，你可以提高閾值電壓并降低泄漏。你可把N溝道器件基底連接到很高的負(fù)電壓，并把P溝道器件基底連接到很高的正電壓。你需要很大的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)閾值的小變化，這是因?yàn)榉聪蚱珘号c閾值電壓是平方根關(guān)系，并且存在體偏壓系數(shù)γ。

　　相同方法還適用于存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)。存儲(chǔ)器在其位單元和外圍電路中都可能有高閾值電壓器件，并具有反向偏壓控制來(lái)管理關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的泄漏。把不同的閾值電壓器件組合用于位單元和外圍電路，這可提供廣泛的存儲(chǔ)器泄漏控制和多個(gè)性能級(jí)別。如果降低存儲(chǔ)器的電源電壓，就會(huì)使性能明顯下降。

　　功率管理

　　在研究了電路級(jí)的功率管理方法后，你可以研究芯片級(jí)的方法。第一種是當(dāng)電路不工作時(shí)，用電源開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)閉它們。在關(guān)閉模式中，電路僅消耗泄漏功率，不消耗有功功率。你可把MOSFET用作連接到電源軌和接地軌的開(kāi)關(guān)，來(lái)關(guān)閉電源（圖4）。在實(shí)現(xiàn)關(guān)閉時(shí)，你必須考慮電路如何蘇醒，并且有時(shí)你必須保持設(shè)計(jì)方案的狀態(tài)。在此情形中，你可使用保持雙穩(wěn)態(tài)多諧振 蕩器來(lái)存儲(chǔ)狀態(tài)。

　　圖4，可以用頭開(kāi)關(guān)和腳開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)斷邏輯電路，以便節(jié)省有功功率。

　　在控制設(shè)計(jì)方案的哪些零件需要關(guān)閉方面，你可以用電源開(kāi)關(guān)來(lái)提供多級(jí)粒度。你可以在邏輯門(mén)級(jí)開(kāi)關(guān)電源，為每個(gè)門(mén)配備連接到電源的頭開(kāi)關(guān)（header switch）和腳開(kāi)關(guān)（footer switch）?；蛘吣憧梢园杨^開(kāi)關(guān)和腳開(kāi)關(guān)與邏輯集群一起使用，或是在塊級(jí)與功率島一起使用。你還可以簡(jiǎn)單地把功率島連接到不同的電源，設(shè)計(jì)方案在外部接通或關(guān)斷電源，由此在不使用電源開(kāi)關(guān)的情況下使用功率島。

　　多電源設(shè)計(jì)方案配備具有不同值的功率島（圖5）。該方法使較慢的邏輯塊能以較低電壓運(yùn)行，由此省電。對(duì)于多電源設(shè)計(jì)方案，你必須在功率島邊界插入電平移位單元。這些單元把邏輯電平轉(zhuǎn)換成它們連接的功率島的恰當(dāng)電平。統(tǒng)一功率格式（UPF）語(yǔ)言使芯片設(shè)計(jì)者能描述帶有電源選通和多個(gè)電源的設(shè)計(jì)方案。它允許定義隔離單元、電平移位器、電源選通開(kāi)關(guān)。共同功率格式（CPF）是一種相似的語(yǔ)言，具有相同目的。這些語(yǔ)言目前在彼此競(jìng)爭(zhēng)，以便成為定義設(shè)計(jì)方案功率管理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

　　圖5，在具有多個(gè)電源域的芯片中，低性能部分使用功率較低的電源來(lái)降低功率。電平移位器恰當(dāng)?shù)剡B接了不同域中的邏輯電路。

　　目前的EDA工具有效地支持這些功率管理方法。它們還在實(shí)現(xiàn)期間提供額外的省電效果。由于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)和它們驅(qū)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器消耗大量電力，因此你可以在不需要它們運(yùn)行時(shí)關(guān)斷時(shí)鐘（即選通時(shí)鐘），由此實(shí)現(xiàn)省電。時(shí)鐘選通可在雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸入端不工作的周期內(nèi)，取消該振蕩器中的時(shí)鐘活動(dòng)（圖6）。

　　圖6，時(shí)鐘選通在雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸入端不工作的周期內(nèi)取消該振蕩器中的時(shí)鐘活動(dòng)。

　　你還能優(yōu)化時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中的功率。利用克隆方法，你可以把時(shí)鐘樹(shù)分解成更小的部分，由此降低時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的總電容和功率。物理優(yōu)化過(guò)程也考慮了功率。一旦你滿足了時(shí)序約束，物理優(yōu)化就會(huì)減少非關(guān)鍵路徑中的門(mén)，來(lái)降低功率，并且不影響時(shí)序。

　　泄漏優(yōu)化

　　主要的泄漏功率優(yōu)化途徑是使用標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)和多電壓閾值器件。許多工具允許設(shè)計(jì)者在物理實(shí)現(xiàn)期間使用多個(gè)庫(kù)，并自動(dòng)從恰當(dāng)?shù)膸?kù)中選擇單元，來(lái)優(yōu)化泄漏功率并實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)。但是，應(yīng)小心使用該特性，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案的面積有時(shí)可能會(huì)變大。較高閾值電壓的單元很脆弱，在混合閾值電壓設(shè)計(jì)方案中，80%的單元一般具有高閾值電壓，其余20%具有標(biāo)準(zhǔn)閾值電壓或低閾值電壓。你可以把具有多種溝道長(zhǎng)度的庫(kù)和多閾值電壓器件相結(jié)合，來(lái)提供額外靈活性。

　　另一種可能是使用臺(tái)積電公司的Power-Trim服務(wù)，它改變非關(guān)鍵路徑中的晶體管的溝道長(zhǎng)度，并且實(shí)際上不影響設(shè)計(jì)布局。該方法向多晶硅掩模施加偏壓，指示掩模制造工藝做出調(diào)整，來(lái)增加晶體管的有效溝道長(zhǎng)度。Power-Trim把這項(xiàng)任務(wù)作為制造期間的一個(gè)加工后的步驟，優(yōu)點(diǎn)是不影響設(shè)計(jì)日程表。

　　一旦設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了它的性能目標(biāo)，Power-Trim就用Tela公司從Blaze DFM公司收購(gòu)來(lái)的軟件分析設(shè)計(jì)方案，并給溝道長(zhǎng)度可以增加的晶體管加標(biāo)簽。典型情況下，這些器件位于設(shè)計(jì)方案的非關(guān)鍵路徑中。該工具以預(yù)定義的增量來(lái)增加溝道長(zhǎng)度，它有一個(gè)預(yù)先分配了特征的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)。該工具用改造后的門(mén)來(lái)執(zhí)行時(shí)序分析，以便確保沒(méi)有影響芯片性能。該方法能額外節(jié)省20%至30%的泄漏功率。由于該方法只改造標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中的晶體管，因此它只在數(shù)字邏輯占主導(dǎo)地位，并且泄漏功率是總功率重要部分的設(shè)計(jì)方案中有意義。

　　有時(shí)被工程師們忽視的功率管理的另一方面是功率完整性。功率完整性同時(shí)影響芯片的核心和I/O功率。你必須在核心中小心配電，特別是在多電源設(shè)計(jì)方案中，并且外部供電是通過(guò)焊線封裝來(lái)完成時(shí)。 在典型的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器設(shè)計(jì)方案中，可供使用的大量凸塊（尤其是在芯片的核心區(qū)）促成了向核心配電，并且IR（電流/電阻）降最小，對(duì)信號(hào)完整性的影響也最小。但對(duì)于焊線封裝，你必須執(zhí)行仔細(xì)的分析，來(lái)確保你分配了足夠的電力和接地I/O緩沖區(qū)，以便適應(yīng)核心功率要求。

　　IR降和電遷移（EM）是核心區(qū)中需要關(guān)注的其它主要領(lǐng)域。你必須確保核心區(qū)中的最壞情形電源電壓不下降到標(biāo)稱值的10%以下，這意味著封裝和晶粒的電源總變化不應(yīng)超過(guò)10%。外部電源本身一般有5%的公差，這意味著你一般需要晶 粒的IR降不高于5%。否則，你必須使用公差更小的外部電源，這會(huì)明顯增加它的穩(wěn)壓器成本。該要求通常決定了晶粒上的電力和接地I/O緩沖區(qū)數(shù)量，以及頂部金屬層（你將在這些層上設(shè)計(jì)電源網(wǎng)）的厚度和寬度選擇。

　　電遷移通常是指在電場(chǎng)的作用下導(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)造成元件或電路失效的現(xiàn)象。分別為發(fā)生在相鄰導(dǎo)體表面的如常見(jiàn)的銀離子遷移和發(fā)生在金屬導(dǎo)體內(nèi)部的金屬化電子遷移。ir降就是由于i（電流）和r（電阻）所引起的偏差，從微觀出發(fā)，在測(cè)試電壓或電流時(shí)，會(huì)對(duì)一些儀器造成測(cè)試障礙，導(dǎo)致讀數(shù)偏差。

　　最后，你將需要在核心中插入解耦電容，來(lái)平滑核心電流的大峰值。另外，當(dāng)芯片包含多個(gè)電源時(shí)，一個(gè)主要設(shè)計(jì)考慮就是確保有足夠的解耦電容或相位管理，以便在工作電流的任何突然涌動(dòng)期間保證接通操作的完整性。