低功耗設(shè)計之multi-bit cell技術(shù)簡介

所謂multi-bit cell，可以理解成把多個完全相同的cell合并在一個cell里，如下圖所示，集成2bit的multi-bit cell的clock inverter是共享的，那么可以節(jié)省2個clock inverter的面積、功耗。

同時由于flip-flop數(shù)量減少，時鐘互聯(lián)線也減少，即減少了clock net length、capacitance、clock inverter更利于總功耗的降低。

有一點非常重要，MBFF對SBFF的合并使用目的是降低功耗，但是前提是保證timing，若timing不滿足，MBFF是應(yīng)該被要求拆分成SBFF，SBFF更方便resize、move等操作。

芯片功耗很大一部分在時鐘樹上，通過multi-bit cell技術(shù)我們可以獲得如下圖所示的功耗改觀：

此外，通常scan DFF由于帶了scan mux電路，其面積會更大，而Multi-bit flip-flop (MBFF)合并單bit寄存器后，可以更明顯降低面積，以scan DFF為例，single bit 和multi bit的邏輯關(guān)系一般如下：

在晶體管級別的版圖設(shè)計過程中，會采用優(yōu)化晶體管連接，晶體管共用等手段來節(jié)約面積，因此multi-bit cell比同等bit數(shù)目的single-bit cell的版圖面積總和要小一些。假設(shè)一個1-bit DFF的面積為?，那么一個2-bit DFF的面積一般會比??小一些，4-bit DFF的面積會比??小更多。 在Cadence INNOVUS中可以用如下命令查看MBFF信息：

reportMultiBitFFs -all

reportMultiBitFFs -statistics

reportMultiBitFFs -cell MB2SDFCNQOPPSBD1BWP24P90ELVT

MBFF結(jié)構(gòu)在功耗上帶來的好處主要體現(xiàn)在以下幾個方面，整體而言，就是減少了clock net length、capacitance、clock inverter。

1）clock pin capacitance減少從而降低clock switching power

由下圖可知，雖然2bit MBFF較1bit flip-flop的clock pin cap改觀不大，但當design中有大量multi-bit DFF來替代single-bit DFF時，DFF數(shù)量大量降低，芯片時鐘樹上整體pin cap的下降是非常明顯的。cap越小switching power也越小，動態(tài)功耗降低。

2）時鐘樹buffer數(shù)量減少，降低switching和leakage power

由于multi-bit DFF中每個DFF的clock pin cap相對于single-bit DFF有一些減小，那么在multi-bit design中一個相同的buffer可以驅(qū)動更多的MDFF，當然最主要還是DFF數(shù)量的減少，從而顯著減少時鐘樹上的buffer數(shù)量和面積，進一步降低時鐘樹上的功耗。

3）時鐘樹繞線資源減少，時鐘樹寄生RC從而降低dynamic power

MBFF大量使用時，相對于single-bit design來說，芯片standard cell數(shù)量大幅下降，而且在很多時候DFF的擺放也可能會更加集中，時鐘樹繞線將節(jié)省大量走線資源，進而減少整個時鐘網(wǎng)絡(luò)的寄生RC。

下圖展示了single-bit DFF與multi-bit DFF的繞線差異，可以看出右側(cè)的MBFF繞線明顯更少，時鐘整體的寄生RC得到減少，從而降低功耗。

盡管multi-bit有以上諸多優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用中并不總能得到最好的結(jié)果。

其主要原因在于以下幾個方面：

a) single-bit到multi-bit的轉(zhuǎn)化有諸多條件限制，很多時候design實際的multi-bit cell比率不高。

b) multi-bit cell擺放不合理可能會引起congestion問題、timing問題，反而會增加更多的組合邏輯的power從而抵消clock tree上帶來的功耗降低的效果。

比如，2bitsingle-bitDFF本來被place在不同位置，若合同為2bit的multi-bit DFF后，routing連線可能反而更長，增加了路徑延遲，工具會采用buffering、sizing的優(yōu)化方式優(yōu)化時序，若依然不能滿足timing，那么multi-bit cell不如拆分成single-bit cell，因為single-bit cell可以更方便resize、move。

c) IR/EM方面的考慮可能會故意讓multi-bit cell互相擺放的遠一些，從而無法達到減少clock net length寄生RC從而降低功耗的效果。

審核編輯：劉清