CN110262616A - 一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法 - Google Patents

一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，具体为：将芯片上的门级单元按照连接的拓扑关系进行分级，将相同级数的门级单元划分为一个电压域；根据各电压域的工作的延时时间，制定相应的电源门控单元，计算每个所述电压域的电源门控单元数量，并通过该数量的电源门控单元控制相应电压域与电源的接通/断开；本发明根据数据流经各级电压域的先后顺序，先打开数据先流经的电压域，再打开后面的电压域，减少因为逐级传递，和翻转次数逐级增加而带来的无效功耗损失，从而减少处理器的无效动态功耗；通过改变开关单元中延迟单元的宽长比来定制电源门控单元，从而通过改变延时单元的延时时间达到保证一级一级电压域逐级开通的效果。

Description

一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法
技术领域
本发明属于芯片节能方法技术领域，具体涉及一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法。
背景技术
随着可穿戴设备，智能水表，植入式电子医疗设备等被越来越多地应用于日常生活中，物联网的时代就离我们越来越近了。但是物物相连，人物相连的物联网世界的真正到来，其中最核心最关键是需要有能进行信息采集，处理的IOT芯片。然而在一些条件极其恶劣的环境下，是不可能轻易地更换电池，例如，如果未来要把物联网设备植入到人体内时，就不可能搭配五号电池，同时在特定领域更是对IOT设备的供电功率提出了更加严格的要求，所以为了能进一步普及物联网，必须克服IOT芯片的功耗限制。
由对动态功耗和静态功耗的机理分析可知，芯片功耗与芯片的供电电压、频率和所用工艺库器件的阈值电压，开关因子等众多因素相关。
所以在当前，研究人员从这些方面出发，采用不同的方法来降低功耗。这些主要围绕异步电路技术、亚阈值技术、动态电压和频率调节技术、门控时钟技术，电源门控技术展开。
然而这些方法都不是针对实际电路的特点而设计的，所以为了能够进一步将应用的功耗降至nW/MHz级，就需要结合实际的门级电路中标准单元间信号传递的规律深入研究。在数据逐级流过不同单元时，从第二级运算单元开始便会由于竞争冒险产生多次无效翻转，而经过逐级传递，无效翻转时间及翻转次数逐级增加，带来无效功耗损失。由于无效翻转次数远大于1次有效翻转，这一部分功耗在极低功耗应用中不容忽视。因此在数据流来临之前，需要先关闭暂时没有运算任务的单元电源供应。
发明内容
本发明的目的是提供一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，具体按照以下步骤实施：
将芯片上的门级单元按照连接的拓扑关系进行分级，将相同级数的门级单元划分为一个电压域；
根据各电压域的工作的延时时间，制定相应的电源门控单元，计算每个电压域的电源门控单元数量，并通过该数量的电源门控单元控制相应电压域与电源的接通/断开。
本发明的特点还在于：
将芯片上的门级单元按照连接的拓扑关系进行分级具体过程为：芯片上所有与输入信号相连的门级单元均编号为第一级单元，第一级单元后面连接的门级单元为第二级单元，以此类推，后面的门级单元的级数为前一门级单元级数的叠加，若同一门级单元既满足是前一级单元又满足是后一级单元的条件时，则该门级单元划分至后一级单元。
每个电压域的电源门控单元之间通过高扇出缓冲链结构连接。
制定相应的电源门控单元是指制定延时时间与相应电压域开通时间一致的电源门控单元。
电压域开通时间为：第一级门级单元对应的电压域开通时间为0，往后每一级门级单元对应的电压域开通时间均为前一级门级单元对应的电压域中所有门级单元开通时间。
制定相应的电源门控单元具体过程为：根据电压域开通时间设置相应电源门控单元内控制延时时间的mos管宽长比和负载电容，使电源门控单元延时时间等于相应电压域开通时间。
计算每个电压域的电源门控单元数量具体过程为：
根据该电压域中的门级单元数占芯片中总的门级单元数的比例乘以总的预估功耗，得到每个电压域的预估功耗；其中，总的门级单元数与单个电压域中门级单元数通过自动遍历门级网表得到；
将每个电压域的预计功耗分别除以供电电压得到每个电压域理论上所需要的电流；
将每个电压域理论上所需要的电流除以电源门控单元允许的最大电压降与单元电阻之比，得到每个电压域的电源门控单元数量；其中，单元电阻通过工具仿真得到。
本发明的有益效果是：
本发明一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，根据芯片上电路中门级单元的连接关系，将设计中的门级单元划分在一级一级不同的电压域里面，根据数据流经各电压域的先后顺序，在电路运行的过程中，打开数据先流经的电压域，等到数据传到后面的逻辑模块时，再打开后面的电压域，减少因为逐级传递，和翻转次数逐级增加而带来的无效功耗损失，这样从而减少处理器的无效动态功耗。
附图说明
图1是本发明门级单元连接图和电压域划分的示意图；
图2是本发明中超细粒度供电流程图；
图3是本发明中定制门控单元的结构示意图；
图4是针对采用所述方法设计的risc-v六级处理器的电源电压降分析结果示意图；
图5是针对采用所述方法设计的risc-v六级处理器的电源地线的电压降分析结果示意图；
图6是采用传统物理设计的基于risc-v指令集的六级处理器功耗分析结果；
图7是采用超细粒度控制门级单元电源供应的方法的基于risc-v指令集的六级处理器的功耗分析结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，该方法根据芯片电路上门级单元连接关系，将门级单元设计划分为超细粒度的电压域，在电路运行的过程中依次开通各个阶段的所需的电压域，最终逐渐打开整个设计的供电。
本发明提供一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，具体按照以下步骤实施：
芯片上所有与输入信号相连的门级单元均编号为第一级单元，第一级单元后面连接的门级单元为第二级单元，第二级单元后面连接的门级单元为第三级单元，以此类推，后面的门级单元的级数为前一门级单元级数的叠加，若同一门级单元既满足是前一级单元又满足是后一级单元的条件时，则该门级单元划分至后一级单元，比如一个门级单元即连接第一级单元，又连接第二级单元，则该门级单元为第三级单元，如图1所示，其中标号1、2、3的门级单元均连接输入信号，将相同级数的门级单元划分为一个电压域，电压域划分结果如图2所示。
所有的门级单元依据上述方法被划分在各自的电压域，本发明采用电源门控技术分别控制各个电压域的供电：
根据各电压域的工作的延时时间，制定延时时间与相应电压域开通时间一致的电源门控单元，通过改变延时单元的延时时间达到保证一级一级电压域逐级开通的效果；计算每个电压域的电源门控单元数量，并通过该数量的电源门控单元控制相应电压域与电源的接通/断开。
电压域开通时间为：第一级门级单元对应的电压域开通时间为0，往后每一级门级单元对应的电压域开通时间均为前一级门级单元对应的电压域中所有门级单元开通时间。
制定相应的电源门控单元具体过程为：根据电压域开通时间设置相应电源门控单元内控制延时时间的mos管宽长比和负载电容，以此达到改变门控单元开启时间的效果，使电源门控单元延时时间等于相应电压域开通时间。
本发明中针对有不同的电压域考虑到电压降，物理设计阶段绕线资源等问题，计算适合于每个电压域的电源门控单元数量，每个电压域的电源门控单元之间通过高扇出缓冲链结构连接，保证同一电压域下的单元能同时开通。
计算每个电压域的电源门控单元数量具体过程为：
根据该电压域中的门级单元数占芯片中总的门级单元数的比例乘以总的预估功耗，得到每个电压域的预估功耗；
其中，总的门级单元数与单个电压域中门级单元数通过自动遍历门级网表得到。
将每个电压域的预计功耗分别除以供电电压得到每个电压域理论上所需要的电流；
将每个电压域理论上所需要的电流除以电源门控单元允许的最大电压降与单元电阻之比，得到每个电压域的电源门控单元数量。
其中，每个电压域中所需电源门控的单元数的方法中门控单元的单元电阻通过工具仿真得到。
由于每个电压域的供电电压的电压值相同且每个电压域里面单元要保证同时开通。
本发明中各个电压域都采用相同的信号来控制电源的开通关断。
实施例
针对某型号基于risc-v指令集的六级处理器采用本发明的方法进行低功耗设计电源电压降分析，结果如图4，采用本发明的方法计算每个电压域的电源门控单元数量，并对电源VDD进行电压降分析的结果。在所述例子中供电电压为0.9v，IRdrop的最大值为39mV，占供电电压降的4.4％，基本满足一般常规设计的最高电压降小于百分之五的要求，而且大部分区域都主要落在供电电压的3％以下。图5是对电源地线VSS的电压降分析结果，可知IRdrop最大值为21mV，为供电电压降的2.4％，基本满足一般常规设计小于百分之五的要求，而且大部分区域都主要落在供电电压的1.93％以下。由此可知，上述所述计算每个电压域的电源门控单元数量的方法可以计算出能保证电压降要求的电源门控单元数量。
图6是针对基于RISC-v指令集的六级处理器采用传统物理设计的功耗分析结果。其中短路功耗为238.5mW，开关功耗为323.9mW，泄露功耗为35.2mW，总功耗为597.6mW，图7是采用超细粒度控制门级单元电源供应的方法的功耗分析结果，与传统物理设计方法相比，其中翻转功耗，短路功耗，泄漏功耗分别降低了45％、44％和4％。
由上述实施例可知，采用本发明的方法能够明显降低处理器的功率损耗。
综上所述，本发明一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，根据电路中门级单元的连接关系，将设计划分为各个超细粒度的电压域；还提出在每个电压域里面电源门控单元的连接方式采用高扇出缓冲链结构和通过预估功耗分析电压降计算出每个电压域里面门控单元个数的方法；根据数据流经各级电压域的先后顺序，在电路运行的过程中，先打开数据先流经的电压域，再打开后面的电压域，减少因为逐级传递，和翻转次数逐级增加而带来的无效功耗损失，这样从而减少处理器的无效动态功耗；还提出通过改变开关单元中延迟单元的宽长比来定制电源门控单元，从而通过改变延时单元的延时时间达到保证一级一级电压域逐级开通的效果。

Claims (7)

1.一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
将芯片上的门级单元按照连接的拓扑关系进行分级，将相同级数的门级单元划分为一个电压域；
根据各电压域的工作的延时时间，制定相应的电源门控单元，计算每个所述电压域的电源门控单元数量，并通过该数量的电源门控单元控制相应电压域与电源的接通/断开。
2.根据权利要求1所述一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，所述将芯片上的门级单元按照连接的拓扑关系进行分级具体过程为：芯片上所有与输入信号相连的门级单元均编号为第一级单元，所述第一级单元后面连接的门级单元为第二级单元，以此类推，后面的门级单元的级数为前一门级单元级数的叠加，若同一门级单元既满足是前一级单元又满足是后一级单元的条件时，则该门级单元划分至后一级单元。
3.根据权利要求1所述一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，每个所述电压域的电源门控单元之间通过高扇出缓冲链结构连接。
4.根据权利要求1所述一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，所述制定相应的电源门控单元是指制定延时时间与相应电压域开通时间一致的电源门控单元。
5.根据权利要求4所述一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，所述电压域开通时间为：第一级门级单元对应的电压域开通时间为0，往后每一级门级单元对应的电压域开通时间均为前一级门级单元对应的电压域中所有门级单元开通时间。
6.根据权利要求4所述一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，所述制定相应的电源门控单元具体过程为：根据电压域开通时间设置相应电源门控单元内控制延时时间的mos管宽长比和负载电容，使电源门控单元延时时间等于相应电压域开通时间。
7.根据权利要求1所述一种超细粒度控制门级单元电源供应的方法，其特征在于，计算每个所述电压域的电源门控单元数量具体过程为：
根据该电压域中的门级单元数占芯片中总的门级单元数的比例乘以总的预估功耗，得到每个电压域的预估功耗；其中，总的门级单元数与单个电压域中门级单元数通过自动遍历门级网表得到；
将每个电压域的预计功耗分别除以供电电压得到每个电压域理论上所需要的电流；
将每个电压域理论上所需要的电流除以电源门控单元允许的最大电压降与单元电阻之比，得到每个电压域的电源门控单元数量；其中，单元电阻通过工具仿真得到。
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