基于門(mén)控時(shí)鐘的低功耗電路實(shí)現方案

摘　要:研究了門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)在130 nm工藝、基于高閾值標準單元庫下的低功耗物理實(shí)現方法。詳細闡述了多級門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)的作用機制和參數的設置方法，給出了基于門(mén)控時(shí)鐘的后端實(shí)現流程，著(zhù)重分析了插入門(mén)控時(shí)鐘對時(shí)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(shí)現。在10 M時(shí)鐘下，總功耗降低22. 6 % ，面積也有所減小。

　　集成電路工藝節點(diǎn)的提升帶來(lái)了芯片集成度的極大提高，同時(shí)也導致了功耗的急速增加。另外，市場(chǎng)對電子設備的大量需求使得系統功耗成為系統性能的一個(gè)重要指標，功耗的高低成了芯片廠(chǎng)商競爭力的焦點(diǎn)之一，功耗控制與管理已成為絕大多數芯片廠(chǎng)商首要考慮的問(wèn)題。SoC設計的功耗包含兩部分:靜態(tài)功耗和動(dòng)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(dòng)態(tài)功耗主要包括短路功耗和翻轉功耗，是本設計*耗的主要組成部分。短路功耗即內部功耗，指由器件內部由于P管和N管在某一瞬間同時(shí)導通引起的瞬時(shí)短路引起。翻轉功耗由CMOS器件的輸出端負載電容充放電引起。芯片工作時(shí)，很大一部分功耗是由于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )的翻轉消耗的，如果時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )較大，這部分引起的功耗損失會(huì )很大。在眾多低功耗技術(shù)中，門(mén)控時(shí)鐘對翻轉功耗和內部功耗的抑制作用最強。本文主要講述門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)的具體實(shí)現。另外，基于高閾值單元具有較低的功耗，設計采用高閾值單元庫。

　　1　門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)的基本原理

　　對于一個(gè)設計中的寄存器組，經(jīng)DC編譯后一般會(huì )生成如圖1所示的電路。由圖1可以看出，當EN為1時(shí)， DATA_ IN的值由多路開(kāi)關(guān)傳至寄存器組的數據輸入端，當CLK上升沿來(lái)臨時(shí)，傳至DATA_OUT。當EN為0時(shí)， OUTPUT保持不變。但由于時(shí)鐘信號CLK的翻轉，寄存器組會(huì )持續在CLK的上升沿來(lái)臨時(shí)讀取數據輸入端的數據，而這時(shí)讀取的數據是不變的，這就消耗了額外的功耗。

圖1　帶有多路開(kāi)關(guān)的同步使能寄存器

　　為保證此時(shí)寄存器組不受時(shí)鐘翻轉的影響，可在EN信號為0時(shí)關(guān)斷寄存器組的時(shí)鐘輸入端，使其不受CLK端的變化而變化，這一操作可通過(guò)門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)來(lái)實(shí)現，如圖2所示。圖中的門(mén)控單元由一個(gè)Latch和一個(gè)與門(mén)組成。門(mén)控單元也可以采用非latch結構，直接由與門(mén)或或門(mén)組成。但由于這種電路會(huì )引發(fā)毛刺，故此處采用基于Latch的門(mén)控單元電路。插入門(mén)控時(shí)鐘后，當EN為1時(shí)， Latch單元在時(shí)鐘低電平時(shí)將EN鎖存至ENL，時(shí)鐘上升沿來(lái)臨時(shí)， ENCLK隨CLK變化，寄存器組執行正常的讀入讀出操作。當EN為0時(shí)，寄存器時(shí)鐘輸入端ENCL保持為0，不隨源時(shí)鐘CLK的翻轉而變化，故此時(shí)寄存器組不消耗額外功率。

　　由此可見(jiàn)，插入門(mén)控時(shí)鐘能消除寄存器組冗余翻轉引發(fā)的內部功耗，同時(shí)由于多路選擇器組被一個(gè)基于latch的門(mén)控單元代替，所以也減小了電路的面積。

　　另外，為了進(jìn)一步減小設計的功耗，可采用一些特定的門(mén)控技術(shù)。目前應用比較廣泛的有多級門(mén)控時(shí)鐘，層次化門(mén)控時(shí)鐘等。在多級門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)中，一個(gè)門(mén)控單元還可用來(lái)驅動(dòng)其他一個(gè)或一組門(mén)控單元。這樣就通過(guò)分級控制減少了門(mén)控單元的數目，而且這種方法可組合盡可能多的寄存器組使得門(mén)控單元向頂層靠近，節省更多功耗。

圖2　基于latch的門(mén)控單元電路