能效在半導(dǎo)體行業(yè)中成為關(guān)鍵

 

當(dāng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地插入墻壁以接收電力時(shí)，復(fù)雜芯片產(chǎn)生的功耗不是真正的問(wèn)題。最重要的功能是原始性能，以GHz或MIPS表示。然而，隨著2000年及以后無(wú)線移動(dòng)設(shè)備的大量采用，該指標(biāo)趨于發(fā)生變化。對(duì)于電池供電的設(shè)備，兩次電池充電之間的時(shí)間幾乎與智能手機(jī)的MIPS電量一樣重要。

 

現(xiàn)在，讓我們退后一步，將半導(dǎo)體（和電子）行業(yè)視為功耗的來(lái)源，包括服務(wù)器，存儲(chǔ)，高功率計(jì)算（HPC），有線網(wǎng)絡(luò)，4G和5G基站，這些應(yīng)用都需要高性能。半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）和半導(dǎo)體研究公司（SRC）在2015年發(fā)布了“重啟IT革命：行動(dòng)起來(lái)”報(bào)告，其中包括下圖：

 

圖1：計(jì)算的總能耗（來(lái)源：SIA）

 

顯然，數(shù)據(jù)中心是能耗大戶，其他應(yīng)用能耗（如汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)）也在提升，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)IC都是在邊緣系統(tǒng)中。事實(shí)上，現(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)接受將計(jì)算能力（CPU或DSP）納入邊緣系統(tǒng)的需求，因?yàn)橄蛏贤扑蛿?shù)據(jù)（到物聯(lián)網(wǎng)主站）和向下傳輸數(shù)據(jù)（一旦處理完數(shù)據(jù)）顯然不是正確的選擇。而對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)等系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)不可接受的延遲：

 

本文中，我們將討論在成熟技術(shù)節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)的IC的多種應(yīng)用（與最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，如14/16 nm，10 nm或7 nm相對(duì)應(yīng)），在物聯(lián)網(wǎng)，汽車(chē)，消費(fèi)電子等可能是也可能不是電池供電的。我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)是：降低IC功耗，同時(shí)保持性能，縮減開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，使用相同的IC，無(wú)需電源管理工作，識(shí)別潛在問(wèn)題（噪聲容限，串?dāng)_等）。本文提出的解決方案可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對(duì)TTM，成本和正確的功能沒(méi)有任何影響。

 

圖2：應(yīng)用中的電源問(wèn)題

 

降低SoC功耗的各種解決方案

 

如上所述，自2000年以來(lái)，無(wú)線移動(dòng)行業(yè)一直是電源管理技術(shù)的先驅(qū)。負(fù)責(zé)應(yīng)用處理器SoC的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)（如TI的OMAP，其次是高通，三星，蘋(píng)果等）已經(jīng)在系統(tǒng)級(jí)手機(jī)上實(shí)施了電源管理策略。電源管理技術(shù)非常復(fù)雜，以至于他們很快意識(shí)到在內(nèi)部電源管理功能（電源管理IC或PMIC）之上需要外部器件。這里的各種解決方案將在SoC內(nèi)部實(shí)施，不需要PMIC，因?yàn)槟繕?biāo)是保持成本與使用PMIC之前相同或更低的水平。

 

這里回顧一下可以降低SoC功耗的各種技術(shù)。

 

電源域管理

 

在實(shí)施任何特定的電力網(wǎng)絡(luò)IP或配電策略之前，首先要考慮定義電源域。請(qǐng)記住，電源域?qū)⒏鶕?jù)SoC中的功能塊進(jìn)行定義。一個(gè)功能塊可以涉及不同類型的單元，例如CPU和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)單元塊，它們一起與SRAM存儲(chǔ)器鏈接。這些模塊可以在不同的電壓下從不同的電源獲得電能。

 

定義了各種域，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)特定功率域的特定功率分配，并創(chuàng)建功率島。每個(gè)域可以與SoC的其余部分隔離并斷電（或上電），而不會(huì)影響其他電源域。我們將在本文后面看到如何部署此電源管理策略。

 

動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DVFS）

 

動(dòng)態(tài)功耗由以下公式表示：

 

 

這里：

 

 

電源電壓和頻率的組合對(duì)總功耗具有立體影響，因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗具有對(duì)電壓的二次依賴性和對(duì)頻率的線性依賴性。智能節(jié)電解決方案可降低工作頻率，同時(shí)降低電源電壓。

 

主要思想是在給定頻率下盡可能降低電源電壓，同時(shí)仍保持某些功能的正確操作。電壓只能下降到某個(gè)臨界水平，超過(guò)此水平就會(huì)出現(xiàn)定時(shí)故障。

 

在應(yīng)用每功能DVFS方法時(shí)，假設(shè)已定義了每功能電源/時(shí)鐘域并實(shí)施了附加電路，SoC全局功耗可以明顯降低，同時(shí)保持性能相同或更好，以便當(dāng)其它功能保持靜默時(shí)需要用的功能可以正常運(yùn)行（即：降低電壓）。

 

筆記本電腦，服務(wù)器和移動(dòng)設(shè)備廣泛采用動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)（DVFS）來(lái)節(jié)約能源，而DVFS在其他應(yīng)用（汽車(chē)，消費(fèi)電子......）的早期階段仍處于起步階段。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，DVFS具有顯著的節(jié)能潛力。DVFS只是控制CMOS電路動(dòng)態(tài)功耗的幾種方法之一。我們必須記住，它的使用會(huì)帶來(lái)一系列驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)，但DVFS在降低動(dòng)態(tài)模式下的SoC功耗方面非常有效。

 

圖3：能耗（動(dòng)態(tài)和漏電）與電壓的關(guān)系

 

接近閾值電壓

 

總功率是靜態(tài)或泄漏功率和動(dòng)態(tài)功率的總合。隨著電壓朝向晶體管閾值電壓（Vt）下降，開(kāi)關(guān)功率降低但同時(shí)漏電流增加。這意味著必須找到泄漏和開(kāi)關(guān)電源之間的最佳組合，如圖3所示。

 

接近閾值電壓（NTV）將在提供最小能量的電壓范圍內(nèi)選擇（參見(jiàn)圖3），同時(shí)保持功能域工作。NTV是一種出色的電源管理技術(shù)，在能效（EE）方面給出了非常好的結(jié)果，如圖4所示。這些結(jié)果來(lái)自對(duì)Intel Pentium的測(cè)量，我們可以注意到，0.45 V（接近閾值） ），EE達(dá)到每瓦5830 Mips，與額定電壓（1.2 V）為1240 Mips / Watt的EE進(jìn)行比較。第一個(gè)缺點(diǎn)可以在同一圖中看到：在標(biāo)稱電壓（1.2 V）下，芯片頻率達(dá)到915 MHz，而在NTV（0.45 V）時(shí)，它只有60 MHz。

 

NTV可提供出色的結(jié)果（功耗和能效），特別是在睡眠或觸發(fā)模式下，因?yàn)镾oC無(wú)需在此類模式下運(yùn)行完整性能，例如物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算或永遠(yuǎn)在線傳感器。

 

圖4：能效與功能電壓

 

其他技術(shù)：體偏置，GALS，......

 

GALS技術(shù)用于最大時(shí)鐘域管理效率。應(yīng)使用單向雙同步設(shè)備（如FIFO）實(shí)例化跨時(shí)鐘邊界，從而在不需要握手的情況下實(shí)現(xiàn)最佳延遲。可以沿著互連內(nèi)的任何鏈路劃分時(shí)鐘邊界，并且可以繞過(guò)GALS元件進(jìn)行同步操作。

 

電源和電壓域由電隔離層隔開(kāi)，并且應(yīng)使用斷開(kāi)技術(shù)關(guān)閉各個(gè)功能塊。當(dāng)電源域關(guān)閉時(shí)，特定功能塊必須保持狀態(tài)時(shí)，應(yīng)插入保留寄存器。

 

總之，GALS是一種高效但非?？量蹋ㄔ诠こ碳?jí)別）的電源管理方法，它涉及特定的設(shè)計(jì)知識(shí)和應(yīng)用現(xiàn)有EDA工具的技巧。因此，在實(shí)施其他技術(shù)（如時(shí)鐘門(mén)控，電源域管理或DVFS）后，應(yīng)考慮GALS。

 

體偏置是一種芯片管理技術(shù)，可以根據(jù)施加到芯片有源部分的電壓施加的襯底偏置電壓來(lái)降低功耗或提高性能。雖然理論上可以對(duì)任何襯底施加電壓，包括體積，但體偏置主要用于絕緣體上硅（SOI）晶圓。完全耗盡的SOI（FD-SOI）技術(shù)已經(jīng)引起了幾年的關(guān)注，幾家代工廠（三星，GlobalFoundries）和IDM（意法半導(dǎo)體）正在提供28 nm，22 nm和14 nm的ASIC功能。針對(duì)FDPower SOI技術(shù)的ASIC設(shè)計(jì)并不一定比散裝更復(fù)雜，但生態(tài)系統(tǒng)目前正致力于提供EDA工具和IP支持體偏置。

 

影響SoC完整性的各種電源問(wèn)題

 

為了滿足激進(jìn)的功率預(yù)算目標(biāo)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能別無(wú)選擇，只能以極低的功率運(yùn)行，其直接影響是增加了關(guān)鍵信號(hào)對(duì)電磁（EM）串?dāng)_效應(yīng)的敏感性。

 

由于低功耗SoC具有小得多的噪聲容限，因此，開(kāi)關(guān)活動(dòng)可能導(dǎo)致電源傳輸網(wǎng)絡(luò)（PDN）振鈴并對(duì)芯片性能產(chǎn)生不利影響。

 

在今天的設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘和配電網(wǎng)絡(luò)是集成電路故障的主要貢獻(xiàn)者，例如抖動(dòng)，時(shí)鐘偏移，電遷移，耦合噪聲和功率分布下降。因此，性能和風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避都取決于時(shí)鐘和配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性，使得感應(yīng)和磁效應(yīng)的精確建模成為基本要求。

 

例如，一個(gè)給數(shù)字模塊供電的配電網(wǎng)絡(luò)，該數(shù)字模塊具有高電流需求和非?？斓拈_(kāi)關(guān)活動(dòng)（即，在非?？斓乃矐B(tài)中吸收高電流峰值）。這樣的活動(dòng)將導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）上的振鈴，其與電感（L）和切換活動(dòng)的速率（di / dt）成比例。隨著開(kāi)關(guān)活動(dòng)的增加，通過(guò)與PDN的耦合，振鈴的幅度將增加，以及關(guān)鍵或敏感的高頻或非常敏感的模擬信號(hào)上的噪聲水平。另一個(gè)挑戰(zhàn)是在模式轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生的低頻噪聲，這可能產(chǎn)生功能問(wèn)題。

 

功率包括動(dòng)態(tài)功率和漏電功率。動(dòng)態(tài)功率取決于總負(fù)載電容，電源電壓和工作頻率。降低任何這些參數(shù)都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)功耗降低。但PDN的一種常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法是插入足夠的分頻來(lái)過(guò)濾網(wǎng)絡(luò)上的尖峰，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)噪聲會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘邊緣出現(xiàn)大電流尖峰。當(dāng)輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間期間CMOS柵極的NMOS和PMOS通道同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，漏電功率是由電源和地之間的電流路徑引起的。

 

為了確保您的SoC設(shè)計(jì)不會(huì)受到電源或時(shí)鐘相關(guān)問(wèn)題的影響，您必須從經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師提供的技術(shù)支持中受益。與模擬設(shè)計(jì)一樣，沒(méi)有任何東西可以取代經(jīng)驗(yàn)。

 

在客戶的SoC中使用電源管理IP

 

實(shí)現(xiàn)電源域識(shí)別

 

我們首先需要定義SoC電源架構(gòu)，因?yàn)檫@種架構(gòu)可以隨功能架構(gòu)變化。這將是設(shè)計(jì)人員識(shí)別屬于同一電源域的各種功能的首要任務(wù)。該功率域不是簡(jiǎn)單地由電壓定義，而是與在給定功率模式下預(yù)期成為相同任務(wù)的一部分的各種塊的功能相關(guān)。

 

假設(shè)已經(jīng)定義了這種功率架構(gòu)，SoC現(xiàn)在被劃分為N個(gè)域（N在5甚至更廣的范圍內(nèi)）?？梢葬槍?duì)電壓供應(yīng)（Vdd1至VddN）獨(dú)立地監(jiān)控這些域中的每一個(gè)，且設(shè)計(jì)者可以在SoC級(jí)實(shí)現(xiàn)功率分配和功率活動(dòng)控制，在這種情況下，用于每個(gè)Vddn的獨(dú)立電網(wǎng)。在這個(gè)階段，Dolphin Integration可以提供由經(jīng)驗(yàn)豐富的SoC Architectural Experts（SAE）工程師提供的技術(shù)支持。這些工程師不是簡(jiǎn)單的FAE，他們還在內(nèi)部管理電源管理實(shí)施，在內(nèi)部通過(guò)我們?yōu)榭蛻簦ㄔO(shè)計(jì)服務(wù)）開(kāi)發(fā)的SoC。其電源管理IP最多支持128個(gè)電源域。

 

圖5：SoC中的電源域

 

電源門(mén)控、控制和分配

 

在專家工程師的幫助下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)定義了各種電源域，現(xiàn)在是時(shí)候定義SoC電源架構(gòu)，并在芯片中實(shí)現(xiàn)電源和時(shí)鐘分配。應(yīng)為每個(gè)電源域供電，插入電源門(mén)控以控制該域。通過(guò)開(kāi)發(fā)的專利的電源島電源門(mén)控設(shè)備（名為CLICK），以及電壓域接口（VDIC），專家將幫助團(tuán)隊(duì)在各種電壓調(diào)節(jié)器（LDO和DC-DC）中選擇合適的方案，并將其組織為預(yù)先配置的硅IP庫(kù)。

 

我們還提出了一個(gè)支持高達(dá)5.5 V的過(guò)壓保護(hù)模塊。為了為該域提供時(shí)鐘，客戶將受益于超低功耗時(shí)鐘IP（名為Gamma）。使用正確的時(shí)鐘和配電設(shè)備至關(guān)重要，因?yàn)?ldquo;時(shí)鐘和配電網(wǎng)絡(luò)是集成電路故障機(jī)制的主要貢獻(xiàn)者，如抖動(dòng)，時(shí)鐘偏移，電遷移，耦合噪聲和功率分布下降”，如上所述！

 

圖6：電源門(mén)控，控制和分配

 

芯片級(jí)SoC設(shè)計(jì)人員將選擇控制電源開(kāi)關(guān)，VREG或體偏置發(fā)生器和時(shí)鐘，電源網(wǎng)絡(luò)IP端口的所有部分，為SoC內(nèi)核供電。由于采用模塊化IP解決方案（名為MAESTRO），SoC電源模式控制的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單。這些單元是精心設(shè)計(jì)的模塊，集成了內(nèi)置沖突管理功能，可防止SoC操作和轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)故障。

 

如果SoC設(shè)計(jì)用于本機(jī)閾值電壓（NTV）或DVFS操作，則集成IP產(chǎn)品組合在睡眠或工作模式下設(shè)計(jì)為具有本機(jī)NTV和DVFS支持，如圖6所示。

 

通過(guò)遵守結(jié)構(gòu)和裝配規(guī)則（命名為DELTA規(guī)則），確保了我們集成的完整電源管理IP產(chǎn)品的一致性。SoC設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)采用類似的規(guī)則來(lái)利用他們自己的VREG的內(nèi)部開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的SoC集成。

 

集成電源管理IP允許提供on-SoC電源傳輸和電源模式控制，主要目標(biāo)是提供各種專家級(jí)的IP和技術(shù)支持，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能（EE）SoC的最安全設(shè)計(jì)。由于我們工程師的這種專業(yè)知識(shí)，毫無(wú)疑問(wèn)，與同一SoC的開(kāi)發(fā)時(shí)間表相比，這種SoC設(shè)計(jì)將是最快的，因?yàn)殡娫垂芾硎怯稍O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首次集成而沒(méi)有任何支持。我們有信心保證這一最快的TTM能夠幫助客戶決定構(gòu)建節(jié)能SoC，以應(yīng)對(duì)像物聯(lián)網(wǎng)這樣的新興市場(chǎng)以及能源效率需求變得至關(guān)重要的成熟市場(chǎng)（汽車(chē)，消費(fèi)電子......）。

 

圖7：完整的電源管理IP集

 

時(shí)鐘分配

 

我們的時(shí)鐘IP允許實(shí)現(xiàn)始終在線的電源域，能夠在32 kHz接近閾值電壓下工作。根據(jù)目標(biāo)時(shí)鐘精度，時(shí)鐘源可以是基于晶體的或基于RC的。RC和XTAL振蕩器也可以組合在一起，以確保RC振蕩器的快速啟動(dòng)，然后在運(yùn)行后切換到XTAL振蕩器。

 

由于RAM的電流保持與電壓成比例，因此將始終接通電源域的操作盡可能接近RAM（MDRV）的最小數(shù)據(jù)保持電壓，可確保SoC睡眠模式下的最低功耗。我們的穩(wěn)壓器庫(kù)包括一個(gè)超低靜態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，其可編程輸出電壓低至0.6 V，其參考電壓不超過(guò)150 nA。

 

有效實(shí)現(xiàn)電源管理所需的專業(yè)知識(shí)

 

如前所述，重要的是重新評(píng)估這一點(diǎn)，在處理電力（控制，門(mén)控或分配）時(shí)，專業(yè)知識(shí)是關(guān)鍵。那些參與SoC數(shù)字設(shè)計(jì)的人集成了一些模擬功能，他們知道在集成模擬時(shí)必須非常小心！我不僅討論模擬設(shè)計(jì)（這顯然是專家的任務(wù)），而且還涉及時(shí)鐘和功率分配，以及信號(hào)完整性保護(hù)。電源管理實(shí)施非常相似，只有專有技術(shù)和專業(yè)知識(shí)才能保證第一次正確的設(shè)計(jì)。

 

這就是為什么我們?cè)赑M專家提供的技術(shù)支持的基礎(chǔ)上，嘗試通過(guò)開(kāi)發(fā)成熟的方法來(lái)進(jìn)一步幫助他們的客戶，這轉(zhuǎn)化為特定于電源管理的EDA工具的開(kāi)發(fā)，目標(biāo)是確定性地選擇正確的電源架構(gòu)和IP組件。這些是測(cè)試版，解決了所有電源管理實(shí)施步驟：

 

● PowerArchitect允許探索各種電源架構(gòu)并選擇最佳工作點(diǎn)；

 

● PowerDesigner是一款自動(dòng)化工具，用于生成頂級(jí)UPF，頂級(jí)RTL和ACU的RTL，采用頂級(jí)RTL的MAESTRO模塊UPF設(shè)計(jì)構(gòu)建；

 

● PowerVision是一種電源完整性驅(qū)動(dòng)的SoC仿真工具。

 

處理電源管理和分配是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)，而且非常棘手！與數(shù)字設(shè)計(jì)不同，在開(kāi)發(fā)完整的SoC（太大）時(shí)，不存在驗(yàn)證IP（VIP）和運(yùn)行模擬仿真（SPICE）。此外，我們可以要求數(shù)字設(shè)計(jì)師管理模擬仿真嗎？但是在選擇功率單元時(shí)做出稍微錯(cuò)誤的決定可能會(huì)影響關(guān)鍵信號(hào)的完整性。在SoC中安全實(shí)施電源管理的最佳方法是詢問(wèn)具有該領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)的工程師的專業(yè)知識(shí)，并將有助于創(chuàng)建最佳電源架構(gòu)，并實(shí)施電源管理，從而使您的SoC變得高效節(jié)能。

 

結(jié)語(yǔ)

 

對(duì)于芯片制造商而言，高芯片功耗現(xiàn)在是電子行業(yè)任何領(lǐng)域的真正關(guān)注點(diǎn)。2000年前后，復(fù)雜的電源管理解決方案僅在的無(wú)線移動(dòng)應(yīng)用中實(shí)施，當(dāng)下，為物聯(lián)網(wǎng)，汽車(chē)或消費(fèi)類應(yīng)用實(shí)施這些解決方案變得非常必要。

 

但是，在SoC中實(shí)現(xiàn)高效的電源管理，對(duì)于首次使用SoC架構(gòu)的SoC架構(gòu)師來(lái)說(shuō)可能會(huì)被認(rèn)為是復(fù)雜且有風(fēng)險(xiǎn)的。很復(fù)雜，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了各種功能，主要是模擬功能，而且他沒(méi)有接受過(guò)在SoC中選擇和實(shí)現(xiàn)它的培訓(xùn)。這就是為什么在做出錯(cuò)誤選擇時(shí)影響設(shè)計(jì)進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)是真實(shí)的，導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)了這個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)的主要風(fēng)險(xiǎn) - 上市時(shí)間（TTM）。

 

我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的單元庫(kù)，用于在SoC中實(shí)現(xiàn)電源管理（電壓調(diào)節(jié)器，電源域接口調(diào)用，配電，時(shí)鐘分配等）。我們不僅僅是銷(xiāo)售這個(gè)庫(kù)，還會(huì)在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)采取行動(dòng)，通過(guò)提供經(jīng)驗(yàn)豐富的SoC架構(gòu)專家（SAE）的技術(shù)支持，幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)定義SoC電源架構(gòu)和實(shí)施策略。

 

本文轉(zhuǎn)載自半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

 

 

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