低功耗设计方法-多电压域设计（一）

上一章讨论的技术是成熟的。工程师使用它们已经有一段时间了，设计工具也支持它们很多年了。在这一章中，我们开始讨论更近期和积极的方法来减少功率：电源门控和自适应电压缩放这两种技术。

这两种技术都不同于改变传统的方法，即在设计中所有(内部)栅使用单一、固定的电源导轨。(许多年来，IO单元在大多数芯片中都有独立的电源供应)。

这种新方法的最基本形式是将芯片的内部逻辑划分为多个电压区域或电源域，每个区域都有自己的电压源。这种方法被称为多电压设计。在现代SoC设计中，不同的块具有不同的性能目标和约束。例如，处理器可能需要以半导体技术允许的最快速度运行。在这种情况下，需要一个相对较高的电源电压。另一方面，USB块可能以一个固定的、相对较低的频率运行，这更多地取决于协议而不是底层技术。在这种情况下，较低的供应电压轨可能足以满足时序要求，而较低的电压供应轨意味着其动态和静态功耗将较低。

一旦我们跨越了使用独立电源的概念障碍，我们就可以考虑更复杂的电源策略：例如，我们可以根据处理器的工作负载为其提供不同的电压。或者，我们可以为RAM提供不同的电压——当内存不被访问时，低电压维持缓存内容，高电压支持读和写。我们甚至可以考虑将电源电压降至零，即电源门控。

为了便于讨论，我们提供了以下多电压策略分类:

静态电压缩放(SVS)：给不同的块或子系统不同的，固定的电源电压。

多级电压缩放(MVS)：静态电压缩放情况的扩展，在静态电压缩放情况下，对于不同的操作模式，块或子系统在两个或多个电压级别之间切换。只支持少量的、固定的、离散的级别。

动态电压和频率缩放(DVFS)：MVS的扩展，可以根据工作负载的变化动态切换更多的电压级别。

自适应电压缩放(AVS)：DVFS的扩展，其中使用控制回路来调节电压。

多电压域设计的挑战

即使是最简单的多电压设计也会给设计师带来一些基本的挑战：

电平转换单元（Level shifters）：信号在使用不同电压源轨道的块之间传递，通常需要电平转换单元将信号从一个电压摆动转换到另一个电压摆动。

描述和静态时序分析：如果整个芯片只有一个电压源，则可以在一个性能点上进行时序分析。这些库的特点是针对这一点，这些工具以一种直接的方式执行分析。由于多个块在不同的电压下运行，并且库可能不能以我们使用的确切电压来描述，因此时序分析变得更加复杂。

布局规划，电源规划，电网：多个电源域需要更仔细和精确的布局规划。电网变得更加复杂。

板级层面的问题：多电压设计需要额外的资源，额外的稳压器提供额外的供电。

上电和下电顺序：为了避免死锁，供电设计可能需要一定的顺序。

电压缩放接口—电平转换器

当驱动信号在具有完全不同电压轨的电压域之间传输时，是需要电平转换器进行电压转换的。驱动信号从一个1V域到一个5V域可能就存在一个问题：1V的摆动可能甚至没有达到在5V域的阈值。但在芯片内部电压是紧密聚集在1V左右。为什么我们需要电平转换器将信号从0.9V域转到1.2V域?

一个基本的原因是一个0.9V的信号驱动1.2V的栅极将同时打开NMOS和PMOS管，造成短路电流。这个问题将在本章后面讨论。

此外，标准单元库的特点及最好的运行条件是在一个干净、快速切换的输入的轨道上运行。如果不能满足这一要求，可能会导致信号在一个电压域的驱动单元和另一个电压域的接收器之间出现显著的上升或下降时间增加。这反过来会导致时序收敛问题，甚至短路开关电流。

最好的解决方案是确保每个域都能得到它所期望的电压波动(以及上升和下降时间)。我们通过在使用不同电压的任何域之间提供电平转化器来做到这一点。这种方法将任何电压波动和时序特性问题限制在电压域的边界上，并且不影响域的内部时序。这种简洁的接口使得时序收敛和重用变得更加容易。

单向电平转换器

电平转换器的设计可以在不同电压轨之间提供有效的电压摆动，这是一个模拟电路设计问题。由于模拟电路设计的原因，这些电池通常只被设计为一个方向移动—从高电压到低电压，或从低电压到高电压。在本章的后面，我们将提供一些示例设计来说明这两种单元之间的区别。

对于静态电压缩放，电平转换器的这种单向限制不是问题。但对于其他形式的多电压，供电电压在运行过程中会发生变化，这确实是一个挑战。设计者必须对设计进行架构和划分，使电压域与相邻电压域有明确的大小关系，例如“总是更高”、“总是更低”或“总是相同”。有了这个限制，就可以直接使用适当的电平转换器。从系统的角度来看，设计可以双向操作的电平转换器可能很有吸引力，但需要非标准的实现组件和工具。