低功耗设计及其UPF实现-创新互联

第一节：低功耗设计的基本单元和概念

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大家好，最近疫情宅家，工作没有那么忙，所以写一下之前从事过的低功耗设计并和大家分享，希望大家多多提出不足。本次总结一共分为若干小节（还没定），我会从最最基础的低功耗的概念和器件开始分享，尽量全部说干货，不过鄙人水平有限，文笔拙劣，有不对的地方还请大佬不惜赐教！

首先简单说明下upf及其发展，upf就是用来表示你低功耗设计意图的文件，用它来说明低功耗设计的思路和方法，由IEEE发布，之前为IEEE1801（2009）对应upf2.0，更新后为IEEE1801（2013）对应upf2.1，之后还有更新。版本不同在于低版本的upf不能很好的支持某些低功耗场景，比如2009只支持multi-fanout中对不同pd统一加ISOLATION的情况，而2013支持，这个后面章节会提到。本节先说一些简单的低功耗名词和概念有助于大家后面的学习，注意，下面的内容大致了解即可，后面章节会展开说明，upf描述也只是让大家有一个印象，最后的例子很重要，希望大家可以理解，我们开始吧！

Power Domain

首先说一下power domain （pd），即电源域。

图 1

1. Pd 对前端是一个虚拟的概念，可能由几个数字模块组成，需要注明pd的电压。
2. 注明Pd中的power switch （ps）的形式，比如使用p管关闭ps或者n管关闭ps等属性。
3. 需要定义supply network，也就是说你的supply从哪里过来，这对后面的power mesh有很大影响，后面会说到。
4. Upf描述：  -create_power_domain

-set_domain_supply_net

Power Supply

          

                                                                     图 2

1. Supply nets是连接外层pd和内层pd的线。比如一个插线板, 在每个pd上必须定义自己的Supply nets。
2. Supply port就是插头，在每个pd上必须定义Supply port从哪里来。
3. Domain supply nets是pd内部的Supply nets。
4. Power swich即pd开关,AON和TOP的pd不需要ps。

Power state table（pst）

Pst描述了当有很多pd的时候，他们相互之间是怎么工作的。比如图1中3个pd在同一时间可以有不同的开和关的状态，那么这个pst就有2^3=8种情况。实际工作中也不会8种状态都会有，这个需要看具体设计，比如图1中pd_top需要一直开，那么就少了4种情况。如果有DVFS的时候可以把power supply定义为不同的电压，电压开或关等等，不同的情况就是一种state，后面会详细说明。在upf中定义Pst的作用是vcs的vclp工具把pst当做golden去检查设计中iso，ls，ps是不是完整且正确；提高验证的converage。

      

                                                                     图 3

Special cells

          

                                                                             图 4

1. Isolation（图4中ISO）

Iso_en为0：与门

Iso_en为1：或门

                                                                     图 5

它有VDD和VDDB两个power，掉电的时候，vdd断电，vddb继续供电，iso_en来自有电的其他模块，这样就可以防止IN进来的x态。上图为“to”demain类型的iso，即iso在有电的pd里面；同样也有“from”类型的iso，即将iso放在断电的pd里面，此时他的iso_en，vddb需要来自有电pd。

UPF描述：set_isolation

set_isolation_control

map_isolation_cell （用于map工艺库里不同的iso，比如to或者from类型）

2. Level shift （电平转移器）

把一个1v的信号送到1.2v的pd会出现信号无法传递的问题。这个时候需要用到LS。

Upf描述：   -set_level_shifter

-map_level_shifter_cell (用于map工艺库)

                                                              图 6

VDDI 可以来自1.2V PD ，VDDO来自0.9V PD。

Enable level shift cell :结合ISOLATION 和LS两种单元的功能，既能变化电压也能保持数据不丢失。

3. Aon_buffer

Aon_buffer可以放在断电的pd，如图7中的第一幅图，它可以保证RR（Retention register）的save信号穿过断电pd，如果是不同的buffer，save信号无法穿过。如果定义了aon pin和aon port，就自动加入aon buffer。

                                                                     图 7

4. Retention register

RR的作用是掉电之前将数值save送入寄存器，等pd打开之后，使用restore信号恢复save的数值。举唤醒为例，这保存了之前的唤醒状态，所以唤醒后可以不重新进行之前的唤醒过程，加速电路唤醒时间，增加performance。缺点是RR面积太大。

UPF 描述:

Set_retention

Set_retention_control

Map_retention

                                                                     图 8

UPF设计例子讲解

请你描述以下电路的upf设计思路。

                                                                     图 9

答：图中有两个pd，外面为1.08v简称pd_top，里面为0.7v可关闭的pd，简称pd_dhm。1.      首先你需要在pd_top定义supply port：VDD,VDDL,VSS及其对应的supply nets，注意VDD到pd_dhm不需要定义supply port，因为pd_dhm为0.7v。

2.     你需要在pd_dhm里面定义power_switch.

3.   pd_top为1.08v，pd_dhm为0.7v，所以数据进来需要LS，图中紫色的处。

4.   因为 pd_dhm可以关闭，所以它的数据送到外面需要加LS和isolation，两个合并为enable level shift cell,图中右下角蓝色处，它的控制来自pd_iso信号。

5.  因为唤醒需要很长时间，为了加快唤醒时间，这里加入了RR

具体的UPF实现会在后面的单元讲解

OK，今天的分享到此为止，明天更新再见！

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