现代数字设计中的定时不确定性使得很难确定最小电源电压。
通过Firooz Massoudi和Ash Patel
为半导体器件中的各种数字块选择合适的工作电压是芯片设计人员面临的最重要的任务之一。工作电压对性能、功耗和可靠性有重要影响。提高电压通常会提高性能，但代价是更多的功率和更高的寿命运行成本。如今，许多最大的芯片都用于智能手机等便携式设备，在性能和电池寿命方面的权衡对产品的成功至关重要。许多芯片也用于安全关键的应用，在这些应用中，整个硅生命周期的可靠性是强制性的。持续的欠压或过压条件随着时间的推移会损害可靠性。
关键是为Vmin选择正确的值，Vmin被定义为芯片或芯片内单个块正常工作时的最小供电电压。这似乎很容易在设计时通过运行静态时序分析(STA)来确定，并选择满足循环时间要求的最小电压，从而满足性能目标。然而，现代数字设计中存在时间不确定性，特别是在10nm以下的技术节点上，这使得很难确定最佳Vmin。这会导致次优的电源管理和不必要的保护带，从而降低性能。
问题的根本原因是实际的硅时序受到芯片设计中每个路径的独特因素的影响。许多因素，如串扰，锁相环(PLL)抖动，以及整个模具的过程，电压，温度(PVT)变化，都起作用。当芯片部署在现场，在任务模式下工作时，温度和电压水平会发生变化。功率和正时必须针对传统分析中考虑的PVT弯角以外的多个工作点进行优化。底线:不能保证任何确定的Vmin值在整个硅生命周期中都是有效的。
解决所有这些挑战的唯一方法是在芯片内部安装监控器，可以报告导致Vmin可变性的每个参数的大小。例如，在任务模式下监控芯片内部路径的裕度可以确定PVT如何改变裕度，并帮助“动态”调整Vmin，以优化功率、性能和可靠性。幸运的是，今天已经有了实现这一目标的技术。许多芯片使用自适应电压和频率缩放(AVFS)来根据当前工作负载的需要调整功率和性能。支持AVFS的系统控制器还可以根据芯片内路径裕度监控器(PMM)知识产权(IP)提供的现场定时测量来调整Vmin。
当芯片在任务模式下工作时，PMM单元提供了硅状态的非侵入性细粒度观测。PMM技术是硅生命周期管理(SLM)的关键部分，SLM是一种连接芯片设计、制造、投产、生产测试和现场部署的整体方法。以前的博客的帖子已经讨论了PMM单元在SLM中所扮演的一些角色。对于Vmin的测定，他们使用功能和合成路径的混合来测量实际芯片中的时序。
具有最严格时序的功能路径可能不适合PMM插入，因为即使是很小的延迟也可能是不可容忍的。设计师应该选择接近关键的功能路径以及安全引擎等关键单元中的路径。路径应该具有高切换率和不同的定时松弛值，以便在多个PVT点创建警报。合成(非功能)路径对于测量老化或边缘的影响是有价值的。芯片的非拥塞区域可用于合成路径和额外的PMM插入。功能和合成路径的混合为最佳Vmin检测创建了一个强大的芯片状态窗口。在大型复杂芯片中，大约有1000个PMM单元。
芯片设计人员采用以下流程:
当监控路径超过定时阈值时，PMM单元产生中断，这表明AVFS控制器必须调整Vmin。
Synopsys Silicon生命周期管理解决方案完全支持这个过程及其对Vmin优化的好处。它包括Synopsys SLM路径裕度监控器IP，用于测量测试或现场实际路径的时间裕度。它自动插入PMM IP，将PMM单元系统地放置在模具上，以精确的物理分辨率捕获硅的状态。Synopsys SLM解决方案还插入了PMM控制器，用于管理多组PMM单元的配置和数据收集。控制器包括内部存储器存储，用于芯片测试的IEEE 1500/1687接口，以及用于现场访问的APB接口。
SLM的主要优点之一是对芯片内部操作利润率的更高可见性和洞察力。越来越多的工艺变化和更危险的老化影响使得这种能力成为许多应用程序的强制要求。PMM方法已被证明是优化Vmin值的一种有价值的方法，以至于它是采用SLM的驱动用例之一。即使节省了几毫安，在硅的生命周期内也可以节省大量的电能，减少保护带可以提高性能，提高可靠性。Synopsys提供的自动化PMM解决方案为最小的设计投资带来了许多好处。
有关Synopsys SLM解决方案的详细信息，请访问白皮书是可用的。
费罗兹·马苏迪(Firooz Massoudi)是Synopsys的技术人员。
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