為了實現目前的功率管理目標，需要采取一種全面的功率管理方法，下至晶體管，上至全芯片技術，悉數包含在內。

　　功耗優化是IC設計者目前面臨的最大挑戰之一。雖然功率優化對于由電池供電的設計一直都很關鍵，但系統性能隨著每一代半導體新技術的出現而不斷提高，并且人們日益強調“綠色”和“潔凈”的技術應用，這一切已使功率優化甚至對于墻壁插座供電的設計也變得關鍵起來。有效的功率管理涉及到恰當技術的選擇、優化的庫和知識產權(IP)的使用，以及設計方法（圖1）。它還意味著優化動態有功功率和靜態泄漏功率。本文探討了多種有效的功率管理方法。

圖1，有效的功率管理需要選擇恰當的技術、庫和IP設計方案以及芯片設計方法。

　　功耗在電子設備中正變得更加重要。由于人們日益強調降低產品能耗，因此系統設計者在管理功率預算方面必須更加小心。結果，管理者們大幅降低芯片功率預算，并且保持成本與性能目標。遺憾的是，向更精細技術的轉移正在使問題變復雜。首先，泄漏功率會隨著幾何結構的精細而明顯增加，并且正在成為總功率的一個主要部分。另外，更精細的幾何結構未提供前幾代技術享有的電壓調整功能。結果，由電壓調整帶來的省電效果不再突顯。另外從設計角度看，新一代技術的芯片一般在特性和功能方面會顯著增加。對所有這些因素的考慮使功率管理成為多數設計者面臨的重大挑戰。因此設計者需要一種聰明的方法來優化設計方案的功耗。

　　MOS晶體管的基本工作

　　為了解功率，讓我們從經典的MOS晶體管漏極電流方程開始。雖然這些方程只對較老的技術準確，并且未考慮現代技術中的亞微米幾何結構引入的各種影響，但它們使人們能了解晶體管的總體行為。

圖2，某NMOS FET表明了施加在其端子的電壓。

　　在數字電路中，當晶體管處于接通狀態時，它位于飽和區，此時漏極至源極電流IDS服從以下方程（圖2）：

                          (1)

　　其中TOX是柵極氧化物厚度，W是晶體管的溝道寬度，L是晶體管的溝道長度，VGS是晶體管的柵極與源極之間的電壓，VTH是閾值電壓，K取決于工藝技術。閾值電壓服從以下方程：　　 

                          (2)

　　其中VSB是源極與基底之間的反向偏壓，VFB是平帶電壓（它取決于工藝技術），γ和ΘS也是取決于工藝技術的參數。

　　如果漏極至漏極電壓等于電源電壓，即柵極與源極之間的最大電壓，那么你就能運用以下方程來計算接通電流：

　　                      (3)

　　然后可以把有功功率表示為：

　　                 (4)

　　泄漏功率

　　MOS晶體管中的主要泄漏部分是結泄漏、柵極泄漏、柵極感應漏極泄漏、亞閾值導電。當漏極和基底之間或是源極和基底之間的PN結在晶體管處于關斷狀態下變成負偏壓時，會出現結泄漏，此時由于存在反向偏壓二極管而出現泄漏電流。當柵極氧化物中存在高電場時，會導致電子隧穿柵極進入基底，并導致柵極泄漏。隨著晶體管幾何結構的縮小，柵極氧化物厚度也縮小， 使它更容易出現隧穿。但是，柵極氧化物專用的高K電介質新材料已經設法控制了這種泄漏并使其最小化。

　　當柵極至漏極重疊區中的高電場導致帶至帶隧穿，并導致柵極感應漏極泄漏電流時，就會出現柵極感應漏極泄漏。當晶體管處于關斷狀態時，會出現亞閾值導電；它并非真地處于關斷狀態，但由于微弱的反相而導電。亞閾值導電是導致泄漏電流的主要因素。你可把該電流表示為：

　　                 (5)

　　其中K1、γ、η、N取決于工藝，VT是熱電壓，K1是柵極氧化物厚度的函數。你可以把柵極至源極電壓設為0V，并把漏極至源極電壓設為等于電源電壓VDD，由此獲得晶體管中的關斷電流或泄漏電流。在這些條件下，由于電源電壓遠大于熱電壓，因此你可以把下列項

　　                                   (6)

　　近似為1，得出

　　                    (7)

　　現在可把泄漏功率寫成

　　                (8)

　　根據這個結果，你可以看到控制功率的主要參數是閾值電壓、氧化物厚度、晶體管長度與寬度、電源電壓、反向柵極偏壓。由于有功功率隨電源電壓的平方而變化，因此降低電源電壓對降低有功功率具有最大的影響。功率降低速度是電壓降低速度的兩倍，即電源電壓降低20%會導致有功功率降低40%。其余參數只是以線性方式影響有功功率。晶體管長度、寬度或閾值電壓的任何明顯變化都對晶體管的性能具有不利影響。結果，設計者只能少量改變這些參數，因此它們在降低有功功率方面僅起著很小的作用。但是，它們對降低泄漏功率有顯著影響，這是因為它們呈指數關系。從方程5可看到

　　              (9)

　　如果ΔVGS = -NVT，則方程變為

　　                      (10)

　　意味著有效柵極至源極電壓每降低NVT，亞閾值電流都會降低至2.71828分之一。N對于某種技術一般是1～2.5，并且閾值電壓在室溫時等于26 mV，因此柵極至源極電壓每變化50 mV～75 mV，你都會看到亞閾值電流降低至2.7分之一。提高閾值電壓具有相同效果。因此，閾值電壓每提高50 mV～75 mV，泄漏電流都會降低至2.7分之一。閾值電壓提高100 mV～150 mV，會使泄漏電流降低至7.4分之一。

　　你可以通過提高反向柵極偏壓來進一步降低泄漏電流。由于存在體偏壓系數γ，收效會不太明顯。降低電源電壓也有助于降低泄漏電流。增加晶體管的溝道長度不僅直接降低泄漏電流（如方程5所示），而且還有助于提高閾值電壓（如方程2所示）。

　　亞閾值電流以指數形式依賴于溫度。由于NVT項出現在負指數的分母中，因此在溫度升高時，電流會顯著增加。這種增加會帶來重大挑戰，這是因為泄漏功率在高溫時變成了總功率的重要部分。因此你必須為快速工藝角器件考慮高溫時的總功率，以便完成最壞情形功率分析。

　　既然你理解了影響有功功率和泄漏功率的參數，你就應該思考自己如何能夠運用工藝技術方法和設計方法來控制這些參數。

　　技術的作用

　　恰當技術的選擇是功率管理工作的主要方面之一。每一次技術進步的目標都是為了改善性能、密度和功耗。典型的新一代技術開發途徑是運用恒定電場調整。工藝設計者調整施加的電壓和氧化物厚度來保持相同電場。該途徑在每個新的技術節點都會使功率降低大約50%。但是，隨著電壓的降低，閾值電壓也必須降低，來實現該技術的性能目標。遺憾的是，這種調整會提高亞閾值電流，并因此提高泄漏功率。為了克服這一約束，工藝工程師們對于65 nm或更小的工藝不再運用恒定電場調整，而是使用一種更普通的調整形式。

　　由于無法立即同時在性能和泄漏方面優化某種技術，因此每種技術通常會有兩個變種。一個變種針對高性能，另一個針對低泄漏。二者的首要區別是氧化物厚度、電源電壓和閾值電壓。柵極氧化物較厚的技術變種面向低泄漏設計，并且必須支持更高的電壓來實現合理性能。

　　 方程2表明了依賴于工藝的參數γ和ΘS，你可以操縱它們來控制閾值電壓。這些參數取決于雜質濃度，工藝設計者可使用一個額外的注入掩模來調節該濃度。這種調節使你能運用一種技術來創造有多個閾值電壓的器件。然后你可以運用該方法來控制設計方案的泄漏功率。

　　在選擇技術來優化特定設計的功率時，你必須同時考慮兩個方面：需要使用更小的幾何結構來降低有功功率；需要使用低泄漏的變種來降低泄漏。但在成本和風險方面需要折中。

　　更小的幾何結構需要在掩模成本和其它一次性工程支出方面投入更多的初始資金。雖然它們憑借每塊晶圓可生產出更多器件而具有單位成本優勢，但它們也在工藝和設計成熟度方面帶來了更高風險。如果設計方案包含SERDES等復雜電路，或是該工藝中新出現的其它敏感的塊，那么設計風險可能很高。工藝風險取決于該技術在工廠已經完全投產了多久。新技術的工藝缺陷通常是在它投產一年或更久之后被全部消除，然后成品率會穩定下來。

　　你的目標應該是高性能還是低泄漏？哪一種適合于優化功率？問題的答案取決于功率的性質和最終應用。如果最終應用是由電池供電，那么你必須使泄漏最小化。這一約束也許會促使你選擇一種低泄漏技術，但該情景未必總是會出現。例如，如果你能關斷處于待機模式的設計方案，那么它就不需要低泄漏工藝，這是因為你可以關斷高性能系統中的電路，并且同時實現低泄漏的好處。

　　低泄漏工藝需使用更高的電壓，并且一般具有更大的面積，因此對于相同性能，會消耗更大的有功功率。因此對于低泄漏工藝選擇工作，泄漏功率是首要推動因素。當泄漏功率在設計方案的工作期間成為總功率的重要部分，或是當設計方案對待機模式的功率（泄漏起著主導作用）有嚴格要求時，選擇低泄漏工藝就能滿足這些要求。在其它多數情況下，你可以選擇標準工藝，用它和多種電路設計方法來優化功率。

　　電路設計方法

　　一旦你選擇了某種技術后，你就能專注于設計方法，用它們來優化功率。開始是數字電路中的基本構件：邏輯門。邏輯門一般是標準單元庫的零件。標準單元庫中的每個門都使用最小的晶體管。每類門都有多個具有不同驅動強度的版本，它們采用更寬的晶體管或多個級來獲得更大的驅動電流。由于控制有功功率的主要參數是電源電壓，因此單元設計者一般會謹慎設計邏輯門并賦予它們適當的特征，使它們的工作電壓比電源電壓低30%。該電壓具有性能上的含義。降低電源電壓可產生更小的電流，導致相同電容的充電和放電時間更長。結果，設計方案變慢。但是，如果設計方案并未觸及特定技術的底線，那么這種減速是可接受的。

　　提高閾值電壓就能降低器件中的泄漏電流。你可以用包括標準、高、低閾值電壓器件在內的多閾值電壓器件來設計邏輯門，由此控制泄漏功率。目前，用多電壓閾值器件來設計標準單元庫是常見做法。對于你用標準、高和低閾值電壓器件實現的與非門，在泄漏和性能之間存在折中（圖3）。你可以把來自這些閾值電壓庫的單元混合起來，優化芯片功率。

圖3，泄漏和功率之間存在折中。

　　下一個因素是溝道長度。單元設計者用最小溝道長度的器件創造標準單元庫中的邏輯門。通過增加溝道長度，你可以降低器件中的泄漏電流，但這么做也會降低晶體管的導通電流并使它減速，因此你只能以很小的增量來做這項工作。標準單元庫提供商最近創造了一些具有多種溝道長度的標準單元。多閾值電壓器件和多種溝道長度共同提供了一個豐富的功率管理標準單元庫。

　　另一種方法是反向偏壓。傳統上，數字技術設計者把MOS晶體管看作是三端子器件，其中的基底連接到源極。結果，反向偏壓始終為0 V。通過把基底作為單獨的端子，并施加反向偏壓，你可以提高閾值電壓并降低泄漏。你可把N溝道器件基底連接到很高的負電壓，并把P溝道器件基底連接到很高的正電壓。你需要很大的電壓來實現閾值的小變化，這是因為反向偏壓與閾值電壓是平方根關系，并且存在體偏壓系數γ。但是，你只能在待機模式施加反向偏壓，這樣才不會影響器件性能。

　　相同方法還適用于存儲器設計。存儲器在其位單元和外圍電路中都可能有高閾值電壓器件，并具有反向偏壓控制來管理關斷狀態時的泄漏。把不同的閾值電壓器件組合用于位單元和外圍電路，這可提供廣泛的存儲器泄漏控制和多個性能級別。如果降低存儲器的電源電壓，就會使性能明顯下降。因此，存儲器一般需要兩個電源——一個較高的電壓用于位單元，一個較低的電壓用于外圍電路。

　　功率管理

　　在研究了電路級的功率管理方法后，你可以研究芯片級的方法。第一種是當電路不工作時，用電源開關來關閉它們。在關閉模式中，電路僅消耗泄漏功率，不消耗有功功率。你可以運用反向柵極偏壓進一步降低泄漏功耗。你可把MOSFET用作連接到電源軌和接地軌的開關，來關閉電源（圖4）。在實現關閉時，你必須考慮電路如何蘇醒，并且有時你必須保持設計方案的狀態。在此情形中，你可使用保持雙穩態多諧振 蕩器來存儲狀態。這些雙穩態多諧振蕩器在電路關閉狀態中保持接通，這樣它們能在電路蘇醒時恢復它的狀態。在喚醒恢復時間方面會有很小的不利后果。

圖4，可以用頭開關和腳開關來關斷邏輯電路，以便節省有功功率。

　　在控制設計方案的哪些零件需要關閉方面，你可以用電源開關來提供多級粒度。你可以在邏輯門級開關電源，為每個門配備連接到電源的頭開關（header switch）和腳開關（footer switch）。或者你可以把頭開關和腳開關與邏輯集群一起使用，或是在塊級與功率島一起使用。你還可以簡單地把功率島連接到不同的電源，設計方案在外部接通或關斷電源，由此在不使用電源開關的情況下使用功率島。這些電源可以有相同或不同值。功率島要求在其邊界使用隔離單元。這些單元確保通往已關閉功率島的輸入端也是關斷的，因此沒有雜散電流。

　　多電源設計方案配備具有不同值的功率島（圖5）。該方法使較慢的邏輯塊能以較低電壓運行，由此省電。對于多電源設計方案，你必須在功率島邊界插入電平移位單元。這些單元把邏輯電平轉換成它們連接的功率島的恰當電平。統一功率格式(UPF)語言使芯片設計者能描述帶有電源選通和多個電源的設計方案。它允許為多電源操作定義電源域。它還允許定義隔離單元、電平移位器、電源選通開關。共同功率格式(CPF)是一種相似的語言，具有相同目的。這些語言目前在彼此競爭，以便成為定義設計方案功率管理的唯一標準。

圖5，在具有多個電源域的芯片中，低性能部分使用功率較低的電源來降低功率。電平移位器恰當地連接了不同域中的邏輯電路。

　　目前的EDA工具有效地支持這些功率管理方法。它們還在實現期間提供額外的省電效果。由于時鐘網絡和它們驅動的雙穩態多諧振蕩器消耗大量電力，因此你可以在不需要它們運行時關斷時鐘（即選通時鐘），由此實現省電。時鐘選通可在雙穩態多諧振蕩器的輸入端不工作的周期內，取消該振蕩器中的時鐘活動（圖6）。時鐘選通能節省超過30%的有功功率。

圖6，時鐘選通在雙穩態多諧振蕩器的輸入端不工作的周期內取消該振蕩器中的時鐘活動。

　　你還能優化時鐘分配網絡中的功率。利用克隆方法，你可以把時鐘樹分解成更小的部分，由此降低時鐘網絡的總電容和功率。物理優化過程也考慮了功率。一旦你滿足了時序約束，物理優化就會減少非關鍵路徑中的門，來降低功率，并且不影響時序。

　　泄漏優化

　　主要的泄漏功率優化途徑是使用標準單元庫和多電壓閾值器件。許多工具允許設計者在物理實現期間使用多個庫，并自動從恰當的庫中選擇單元，來優化泄漏功率并實現性能目標。但是，應小心使用該特性，這是因為設計方案的面積有時可能會變大。較高閾值電壓的單元很脆弱，因此你的設計方案也許需要較大的單元來滿足時序。在混合閾值電壓設計方案中，80%的單元一般具有高閾值電壓，其余20%具有標準閾值電壓或低閾值電壓。你應該慎用低閾值電壓器件，并只能用在性能關鍵的領域中，這是因為它們會增加泄漏電流。你可以把具有多種溝道長度的庫和多閾值電壓器件相結合，來提供額外靈活性。

　　另一種可能是使用臺積電公司的Power-Trim服務，它改變非關鍵路徑中的晶體管的溝道長度，并且實際上不影響設計布局。該方法向多晶硅掩模施加偏壓，指示掩模制造工藝做出調整，來增加晶體管的有效溝道長度。Power-Trim把這項任務作為制造期間的一個加工后的步驟，優點是不影響設計日程表。

　　一旦設計方案實現了它的性能目標，Power-Trim就用Tela公司從Blaze DFM公司收購來的軟件分析設計方案，并給溝道長度可以增加的晶體管加標簽。典型情況下，這些器件位于設計方案的非關鍵路徑中。該工具以預定義的增量來增加溝道長度，它有一個預先分配了特征的標準單元庫。該工具用改造后的門來執行時序分析，以便確保沒有影響芯片性能。該方法能額外節省20%至30%的泄漏功率。由于該方法只改造標準單元庫中的晶體管，因此它只在數字邏輯占主導地位，并且泄漏功率是總功率重要部分的設計方案中有意義。

　　有時被工程師們忽視的功率管理的另一方面是功率完整性。功率完整性同時影響芯片的核心和I/O功率。你必須在核心中小心配電，特別是在多電源設計方案中，并且外部供電是通過焊線封裝來完成時。 在典型的雙穩態多諧振蕩器設計方案中，可供使用的大量凸塊（尤其是在芯片的核心區）促成了向核心配電，并且IR（電流/電阻）降最小，對信號完整性的影響也最小。但對于焊線封裝，你必須執行仔細的分析，來確保你分配了足夠的電力和接地I/O緩沖區，以便適應核心功率要求。

　　IR降和電遷移(EM)是核心區中需要關注的其它主要領域。你必須確保核心區中的最壞情形電源電壓不下降到標稱值的10%以下，這意味著封裝和晶粒的電源總變化不應超過10%。外部電源本身一般有5%的公差，這意味著你一般需要晶 粒的IR降不高于5%。否則，你必須使用公差更小的外部電源，這會明顯增加它的穩壓器成本。該要求通常決定了晶粒上的電力和接地I/O緩沖區數量，以及頂部金屬層（你將在這些層上設計電源網）的厚度和寬度選擇。

　　除了IR降以外，你必須滿足EM準則。一旦超出EM電流密度極限，就會發生金屬遷移，導致金屬層不可逆轉的損壞，并最終導致斷路。EM電流密度在較高溫度時明顯更大。例如，要想讓工作溫度從110°C升至120°C，即升高10°C，就需要金屬跡線寬度增倍，這是因為120°C時的電流密度極限僅為110°C時的一半。因此，當你決定電力和接地I/O緩沖區數量時，你必須考慮晶粒最大工作溫度時的EM準則。

　　最后，你將需要在核心中（有時是在封裝中）插入解耦電容，來平滑核心電流的大峰值。另外，當芯片包含多個電源域（大型邏輯塊在其中通斷）時，一個主要設計考慮就是確保有足夠的解耦電容或相位管理，以便在工作電流的任何突然涌動期間保證接通操作的完整性。一般存在很大的余地供核心上的這類器件使用。多數標準單元庫都提供解耦電容單元，你可以把它們放在芯片的標準單元區的未使用部分。另外，你還可以構建定制單元用于芯片的其它區域。但請注意：你必須設計低泄漏的解耦電容單元，這是因為它們可能會帶來明顯的額外泄漏。該泄漏將可能是一項挑戰，這是因為較低的泄漏還意味著較低的電容。

　　參考文獻

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