数字ASIC设计概要:电源网络

风行水上 @ 2009-10-31 22:33:21
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    万物运行,本源太极。太极分阴阳而生动能。

    对于电路来说,这个能量就是电源。阴阳就是 Power 和 Ground 。在数字逻辑中,电源本身只是提供能量,不构成逻辑,应该说更多的属于物理设计的部分。

    如果只涉及一种电源,那情况应该是比较简单的。设计中的主要任务可以概括为两个问题:

    1. 如何连接标准单元或者hard macro的power/ground pin。
    2. 如何确保提供足够的电源供应。

    电源的连接

    对于 standard cell 来说,如前所述,cell 被按照site row排成一排一排的,power/ground pin 分别在cell的顶部和底部。因而只要沿着site row的上下布好金属层(power rail)即可。这些power rail再连接到围在芯片四围的 power ring 上,从而实现与电源的连接。

    macro cell的powe pin因为是随设计不同而不同,因此从 routing 的角度考虑即可。

    电源的充足

    用来传导电源的金属层是有电阻的,电流通过这些金属层会产生电压降,称之为 IR Drop。这里 I 表示电流,R表示电阻。IR Drop 的后果是可能会导致某些 cell 的电源电压供应不够。

    为了减少 IR Drop,主要是减少电源网络的电阻,实际设计中的的主要方法就是 Power Grid,即网格状的横的和竖的金属层(Power Strap)。这些 Power Grid 同样也同 Power Ring 相连,从而减少了整个电源网络的电阻。问题是,这个 Power Grid的密度和Power Strap的宽度该如何确定。

    就密度而言,自然是够用即可,从而节省布线资源。就宽度而言,考虑的主要是电流密度的影响。电流密度过大会导致金属层失效。减少电流密度的方法是加宽金属。

    Power Planning

    ASIC设计中的一个重要步骤 Power Planning 主要就是设计一个电源网络以尽可能少的布线资源提供足够的电源连接。设计往往是与分析不分的。Power Analysis 就是对一个已有的电源网络分析其电气特性,主要是 IR Drop 和 EM。

    Power Analysis在数学层面主要就是电路网络分析。

    多电源 (Multiple Supply/Multiple Voltage)

    多电源是这几年比较流行的概念,而其实呢,应该说多电源并不陌生。通常芯片的 IO 接口部分所用的电源和主要逻辑部分所用的电源就是不同的。IO 电源的处理自有其策略。这里所说的主要还是逻辑部分本身就有多个电源。

    多个电源出现的原因可以归结为下面两种情况:

    • 不同的逻辑部分需要不同的电源。通常是电压不同,也可能是虽然电压相同,但电源供应彼此独立。
    • 实际上是同一个电源,但某些逻辑会根据需要暂时关闭电源供应以达到节省能量消耗。

    有时,电压不同(概念上必然电源不同)被称为 Multiple Voltage;电压相同,电源不同被称为 Multiple Supply。但实际上,这种区分的意义并不是特别大,两者之间的区别不过是在信号穿越两个不同的电源时是否需要进行电压变换。

    目前实际中的情况大致可以分为以下几类。

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