Силовое стробирование

Затвор мощности — это метод, используемый при интегральных схем проектировании для снижения энергопотребления путем отключения тока к блокам схемы, которые не используются. Помимо снижения мощности в режиме ожидания или утечки мощности, стробирование мощности дает возможность проводить тестирование Iddq .

Обзор

Стробирование мощности влияет на архитектуру проекта больше, чем стробирование тактовой частоты . Это увеличивает временные задержки, поскольку необходимо безопасно входить в режимы с ограничением мощности и выходить из них. Существуют архитектурные компромиссы между расчетом величины экономии мощности утечки в режимах пониженного энергопотребления и рассеиванием энергии при входе и выходе из режимов пониженного энергопотребления. Отключение блоков может осуществляться как программным, так и аппаратным способом. Программное обеспечение драйвера может планировать операции отключения питания. Можно использовать аппаратные таймеры. Еще одним вариантом является выделенный контроллер управления питанием.

Источник питания с внешним переключением — это базовая форма управления мощностью, позволяющая добиться долгосрочного снижения мощности утечки. Для отключения блока на небольшие промежутки времени больше подходит внутренний силовой строб. КМОП- переключатели, обеспечивающие питание схемы, управляются контроллерами управления питанием. Выходы силового вентильного блока разряжаются медленно. Следовательно, уровни выходного напряжения проводят больше времени на уровне порогового напряжения. Это может привести к увеличению тока короткого замыкания.

с малой утечкой В силовом стробировании используются PMOS-транзисторы в качестве переключателей для отключения питания частей конструкции в режиме ожидания или спящем режиме. Нижние переключатели NMOS также можно использовать в качестве спящих транзисторов. Установка спящих транзисторов разделяет сеть питания чипа на постоянную сеть питания, подключенную к источнику питания, и виртуальную сеть питания, которая управляет ячейками и может быть отключена.

Обычно спящие транзисторы с высоким пороговым напряжением (Vth ₎ используются для управления мощностью по технологии, иногда известной как многопороговая КМОП (MTCMOS). Размер спящего транзистора является важным параметром конструкции.

Качество этой сложной электросети имеет решающее значение для успеха конструкции силового вентиля. Двумя наиболее важными параметрами являются падение ИК-излучения и потери в области кремния и ресурсах маршрутизации. Управление мощностью может быть реализовано с использованием подходов на основе ячеек или кластеров (или мелкозернистых) или распределенного крупномодулированного подхода.

Параметры

Реализация силового стробирования требует дополнительных соображений для реализации временного замыкания. Для успешного внедрения этой методологии необходимо учитывать следующие параметры и тщательно выбирать их значения. ^[1]^[2]

Размер силового вентиля : Размер силового вентиля должен быть выбран так, чтобы выдерживать величину коммутируемого тока в любой момент времени. Затвор должен быть больше, чтобы не было измеримого падения напряжения (IR) из-за затвора. Как правило, размер затвора выбирается примерно в 3 раза больше переключающей емкости. Разработчики также могут выбирать между затвором верхнего (P-MOS) или нижнего колонтитула (N-MOS). Обычно затворы нижнего колонтитула имеют меньшую площадь при том же токе переключения. Инструменты динамического анализа мощности могут точно измерить ток переключения, а также спрогнозировать размер силового затвора.
Скорость нарастания управления воротами : при стробировании мощности это важный параметр, определяющий эффективность стробирования мощности. Когда скорость нарастания велика, для выключения и включения схемы требуется больше времени, и, следовательно, это может повлиять на эффективность стробирования мощности. Скорость нарастания управляется посредством буферизации сигнала управления затвором.
Емкость одновременного переключения . Это важное ограничение относится к количеству цепей, которые можно переключить одновременно, не влияя на целостность энергосети. Если одновременно переключается большая часть цепи, возникающий «бросок тока» может поставить под угрозу целостность энергосети. Чтобы предотвратить это, цепь необходимо переключать поэтапно.
Утечка силового затвора . Поскольку силовые затворы состоят из активных транзисторов, уменьшение утечки является важным фактором для максимизации экономии энергии.

Методы

Мелкозернистая мощность стробирования

Добавление спящего транзистора в каждую ячейку, которая должна быть отключена, приводит к увеличению площади, а индивидуальное регулирование мощности каждого кластера ячеек создает проблемы синхронизации, возникающие из-за изменений напряжения между кластерами, которые трудно решить. Мелкомасштабный силовой вентиль инкапсулирует переключающий транзистор как часть стандартной логики ячейки. Переключающие транзисторы разрабатываются либо поставщиком библиотеки IP, либо разработчиком стандартных ячеек. Обычно эти конструкции ячеек соответствуют обычным стандартным правилам ячеек и могут быть легко обработаны инструментами EDA для реализации.

Размер элемента управления затвором разработан с учетом наихудшего сценария, при котором схема потребует переключения во время каждого тактового цикла, что приведет к огромному воздействию на площадь. Некоторые из последних разработок реализуют мелкозернистую регулировку мощности избирательно, но только для ячеек с низким _{напряжением} . Если технология допускает использование нескольких V _-ных библиотек, использование устройств с низким V _-м в проекте минимально (20%), чтобы можно было уменьшить влияние на площадь. При использовании силовых вентилей на ячейках с низким V- _м выход должен быть изолирован, если следующим этапом является ячейка с высоким V _-м . В противном случае это может привести к утечке в соседней ячейке с высоким напряжением _, когда выходной сигнал переходит в неизвестное состояние из-за стробирования мощности.

Ограничение скорости нарастания управления вентилем достигается за счет наличия дерева распределения буферов для сигналов управления. Буферы должны быть выбраны из набора постоянно включенных буферов (буферов без сигнала управления затвором), разработанных с ячейками с высоким V _-м . Внутренняя разница между выключением одной ячейки по отношению к другой минимизирует бросок тока во время включения и выключения.

Обычно управляющий транзистор проектируется как устройство с высоким _{напряжением} . Грубое управление мощностью обеспечивает дополнительную гибкость за счет оптимизации ячеек управления мощностью там, где активность переключения низкая. Оптимизацию утечек необходимо выполнять на грубом уровне, заменяя ячейку с низкой утечкой на ячейку с высокой утечкой. Мелкозернистая вентиляция мощности — это элегантная методика, приводящая к уменьшению утечки до 10 раз. Этот тип снижения мощности делает его привлекательным методом, если требование снижения мощности не удовлетворяется одной только множественной V _-й оптимизацией.

Крупнозернистый силовой строб

Грубозернистый подход реализует спящие транзисторы в виде сетки, которые управляют ячейками локально через общие виртуальные сети электропитания. Этот подход менее чувствителен к вариациям PVT, вносит меньшие вариации IR-падения и требует меньших затрат на область, чем реализации на основе ячеек или кластеров. При грубом стробировании мощности транзистор силового стробирования является частью сети распределения энергии, а не стандартной ячейки.

Существует два способа реализации крупнозернистой структуры:

На основе кольца : силовые ворота располагаются по периметру модуля, который выключается как кольцо. Для поворота силовых сигналов по углам используются специальные угловые ячейки.
На основе колонн : силовые ворота вставляются в модуль, при этом ячейки примыкают друг к другу в виде колонн. Глобальная мощность — это верхние слои металла, а коммутируемая мощность — нижние слои.

Размер затвора зависит от общего тока переключения модуля в любой момент времени. Поскольку в любой момент времени переключается только часть цепей, размеры силовых вентилей меньше по сравнению с мелкозернистыми переключателями. Динамическое моделирование мощности с использованием векторов наихудшего случая может определить наихудшее переключение модуля и, следовательно, его размер. Падение IR также можно учитывать при анализе. Емкость одновременного переключения является основным фактором при реализации крупнозернистого управления мощностью. Чтобы ограничить одновременное переключение, буферы управления вентилями могут быть подключены последовательно, а для выборочного включения блоков переключателей могут использоваться специальные счетчики.

Изоляционные ячейки

Изолирующие ячейки используются для предотвращения тока короткого замыкания. Как следует из названия, эти ячейки изолируют блок питания от нормально включенного блока. Изолирующие элементы специально разработаны для низкого тока короткого замыкания, когда входное напряжение находится на пороговом уровне. Сигналы управления изоляцией подаются контроллером силового стробирования. Изоляция сигналов переключаемого модуля необходима для сохранения целостности конструкции. Обычно простая логика ИЛИ или И может работать как устройство изоляции выхода. На практике доступно несколько схем сохранения состояния, позволяющих сохранить состояние до выключения модуля. Самый простой способ — сканировать значения регистров в память перед выключением модуля. Когда модуль просыпается, значения сканируются обратно из памяти.

Реестры хранения

При использовании шлюзования мощности системе требуется определенная форма сохранения состояния, например сканирование данных в ОЗУ, а затем их обратное сканирование при повторном пробуждении системы. Для критически важных приложений состояния памяти должны поддерживаться внутри ячейки, и для этого требуется флоп сохранения для хранения битов в таблице. Это позволяет очень быстро восстанавливать биты во время пробуждения. Регистры хранения — это специальные триггеры с низкой утечкой, используемые для хранения данных основных регистров силового вентильного блока. Таким образом, внутреннее состояние блока во время режима отключения питания может быть сохранено и загружено обратно в него при повторной активации блока. Регистры хранения всегда включены. Стратегия хранения зависит от дизайна. Контроллер ограничения мощности управляет механизмом сохранения, например, когда сохранять текущее содержимое блока ограничения мощности и когда восстанавливать его обратно.

См. также

Ссылки

^ «Практический синтез силовой сети для конструкций силовых стробов» . 01.11.2008.
^ Айер, Ананд (1 ноября 2008 г.), Демистифицируйте силовые ворота и предотвращайте утечки в холодном состоянии , Cadence Design Systems, Inc.

Чиу, Де-Шиуань; Чен, Ши-Синь; Да, Цинвэй (2006). «Строение мощности, управляемое по времени». Материалы 43-й ежегодной конференции по автоматизации проектирования . Специальная группа ACM по автоматизации проектирования: 121–124.
«Энергетические ворота» .

[EETimes-1] «Практический синтез силовой сети для конструкций силовых стробов» . 01.11.2008.

[Iyer_2008-2] Айер, Ананд (1 ноября 2008 г.), Демистифицируйте силовые ворота и предотвращайте утечки в холодном состоянии , Cadence Design Systems, Inc.

[1]

[2]