基于門控時鐘的低功耗電路實現(xiàn)方案

  摘　要:研究了門控時鐘技術(shù)在130 nm工藝、基于高閾值標(biāo)準(zhǔn)單元庫下的低功耗物理實現(xiàn)方法。詳細闡述了多級門控時鐘技術(shù)的作用機制和參數(shù)的設(shè)置方法，給出了基于門控時鐘的后端實現(xiàn)流程，著重分析了插入門控時鐘對時鐘偏移的影響并提出解決方案。在中芯國際130 nm工藝下用synop sys公司的DC， IC Comp iler， PT，VCS等工具完成物理實現(xiàn)。在10 M時鐘下，總功耗降低22. 6 % ，面積也有所減小。

　　集成電路工藝節(jié)點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*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。本文主要講述門控時鐘技術(shù)的具體實現(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。

圖1　帶有多路開關(guān)的同步使能寄存器

　　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。

圖2　基于latch的門控單元電路

　　2　門控時鐘的物理實現(xiàn)

　　電路在功能仿真通過后，開始進行寄存器級綜合。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 Comp iler中進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級實現(xiàn)

　　在RTL級，門控時鐘的實現(xiàn)不需要對設(shè)計本身進行修改，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到最優(yōu)。本設(shè)計中有以下各個參數(shù)的設(shè)置方法。

圖3　門控時鐘的基本描述

　　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，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。以下重點闡述實驗中bitwIDTh， fanout和stage的確立方法。

　　fanout的大小對功耗和時序都有影響。數(shù)值越大則表示一個門控單元可承受較多的負載，即代表越節(jié)省功耗，需要的門控單元也越少，但對門控單元輸入端建立時間的要求也就更加嚴(yán)格。位寬決定一組寄存器能被門控的最小寬度。級數(shù)則確定多級門控時鐘的最大級數(shù)。本設(shè)計在這三個參數(shù)的選取上，主要是依據(jù)設(shè)計本身對功耗的要求，結(jié)合綜合時的時序約束和單元庫中門控單元的時延信息加以估計，確定一個粗略的數(shù)值范圍。fanout的值在滿足時序的前提下，不經(jīng)編譯就可確定，方法如下:首先按約束文件中的扇出值約束此處fanout，然后insert_clock_tree，加入時序約束并傳遞至門控時鐘，用re_port_clock_gating– multi_stage查看報告，重點關(guān)注第1項。發(fā)現(xiàn)fanout按約束文件取值為15時，門控單元的數(shù)目達到61個， fanout取值為20或更高時，門控單元數(shù)目為41，見表1，而被門控的寄存器數(shù)目卻保持不變，多級門控單元的數(shù)目也由fanout取值為15時的7級減小到當(dāng)前的6級。由于門控單元也會消耗相當(dāng)大功耗，因此在被門控的寄存器數(shù)目相同的情況下門控單元數(shù)越少就越節(jié)省功耗。因此確定fanout為20。

　　num_stages最初取值為2，插入門控時鐘后的報告顯示平均級數(shù)為1. 4，其值增至3時，平均級數(shù)為2. 3，如表1 所示。從對時鐘網(wǎng)絡(luò)的平衡性來講，stage值為2時要優(yōu)于取值為3時的情況，但結(jié)合其后的編譯，綜合考慮時序面積功耗因素，折衷考慮選定stage為3。

　　bitwidth初值為3，經(jīng)過編譯，得出了功耗和延時信息。以此為基準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)計改變bitwidth數(shù)值，然后再編譯，對比功耗延時。發(fā)現(xiàn)當(dāng)bitwidth取值為5時，設(shè)計的各個性能指標(biāo)達到最優(yōu)。

　　通過以上試驗，得出下列結(jié)論: 對門控時鐘而言，若不考慮設(shè)計的平衡性，插入的門控單元越少且被門控的寄存器越多， 門控的效果就越好， 反之亦然。

　　經(jīng)編譯，查看時序功耗報告，在滿足電路性能指標(biāo)情況下， RTL級代碼經(jīng)綜合生成層次化門級網(wǎng)表和門級時序約束文件。

　　為查看門控單元在不同設(shè)置下的插入情況，用report_clock_gating– multi_stage得到表1所示報告。

　　從中可知，有23. 68 %的寄存器沒有被門控，原因在于位寬， 使能等不滿足門控要求， 對設(shè)計無影響。

表1　門控時鐘總結(jié)

　　2. 2　時鐘門控的版圖級實現(xiàn)

　　在布局布線階段，基于門控時鐘的功耗優(yōu)化流程主要如下:在布局之前，設(shè)置set_power_op tiONs–clock_gating true，之后在布局、時鐘樹綜合和布線階段的主要命令中添加選項- power即可。上述設(shè)置可實現(xiàn)最基本的門控時鐘布局布線，但在本設(shè)計中生成的時鐘網(wǎng)絡(luò)分布不均勻，而且skew很大。需要采取額外的優(yōu)化措施來消除其帶來的不利影響。

　　門控單元的加入給CTS帶來的影響主要有兩個方面，一方面會造成整個時鐘網(wǎng)絡(luò)分布不平衡，另一方面導(dǎo)致時鐘偏移增大。單采用上述措施，時鐘偏移最大可達到1. 11，見圖4中的第二項，嚴(yán)重偏離了不采用門控時鐘時的偏移量0. 12。在優(yōu)化時鐘偏移上，目標(biāo)有三個方面:構(gòu)造一個相對平衡的時鐘網(wǎng)絡(luò)，使得在各個層上，層的各個分支上的單元數(shù)目相近;減小時鐘偏移至可承受范圍;盡量保持功耗同只采用門控時鐘而不優(yōu)化時鐘偏移狀況下的功耗相近或更小。

圖4　各種操作方式下的時鐘偏移

　　分析引起skew偏大的原因，通過在ICC中跟蹤路徑，查看時鐘網(wǎng)絡(luò)電路圖，發(fā)現(xiàn)時鐘層分布極不均勻，分支節(jié)點最大相差6 層。在具體時序路徑中，兩條路徑延時過大，插入了許多不必要的buffer，為構(gòu)造一個平衡的時鐘樹，減小skew并減少對功耗的影響，在CTS階段采取了三個措施。

　　第一，設(shè)置set_clock_tree_op tions– LOGIC_ level_bal2ance為true。CTS的操作模式有三種: 模塊模式，頂層模式，邏輯級平衡模式。默認(rèn)為模塊模式。

　　此處選取邏輯級平衡模式可得到最佳的skew，但對功耗有一定影響。第二，復(fù)制門控單元。主要是通過修正ICG輸出端的DRC來平衡扇出，并添加緩沖單元來驅(qū)動沒有被門控的寄存器使得整個時鐘樹的結(jié)構(gòu)更加平衡。首先設(shè)置cts_push _down_ buffer為true。然后sp lit_ clock _ gate – ob2jects { 3 . / latch} – gate_ sizing– gate_ relocation。

　　并且在時鐘樹綜合時結(jié)合使用- inter_clock_bal2ance選項。最后，為了彌補功耗優(yōu)化方面的不足，在CTS完畢之后用p synop t– power。不采用門控時鐘、采用門控時鐘但不做skew優(yōu)化、采用門控時鐘且進行skew優(yōu)化三種情況下的skew見圖4。由此可見，優(yōu)化后的skew較原來相比雖有所增大，但要遠小于優(yōu)化前的設(shè)計。

　　2. 3　功耗測量過程及實驗結(jié)果分析

　　布局布線完成后，導(dǎo)出網(wǎng)表到VCS中進行后仿，并得到分析功耗所需的saif文件。將此saif文件和布局布線后帶有實際延時信息的網(wǎng)表讀入PT中，加以適當(dāng)?shù)臅r序約束進行功耗分析，得到如圖5所示的分析結(jié)果。

　　由圖5可知， 采用門控時鐘技術(shù)后的設(shè)計總體功耗下降了22. 6 %。其中， 開關(guān)功耗下降了63. 2 % ，內(nèi)部功耗下降了21. 9 %，體現(xiàn)了引入門控時鐘技術(shù)的優(yōu)勢，因為門控時鐘主要用于降低動態(tài)功耗，泄露功耗略有下降?？偣挠稍瓉淼? mW降低至778 uW，功耗降低效果非常明顯。除此之外，芯片核的面積也略有減小。

圖5　布局布線完成后的功耗分析結(jié)果

　　3　結(jié)語

　　越來越多低功耗設(shè)計方法的出現(xiàn)為低功耗設(shè)計提供了無限的空間。門控時鐘技術(shù)作為當(dāng)前比較成熟的一種低功耗方法，已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。本設(shè)計全面講述了門控時鐘的后端實現(xiàn)方法，并提出了一種門控控制項的設(shè)置方法，解決了由其引起的時鐘偏移問題，對VLSI深亞微米低功耗電路物理層的實現(xiàn)有一定的實用價值。