Power Gating的設計(概述)


Leakage power隨着CMOS電路工藝進程,功耗越來越大。

 

Power Domain的開關一般通過硬件中的timer和系統層次的功耗管理軟件來進行控制,需要在一下幾方面做trade-off:

1)可能節省的leakage power,

2)entry和exit的power和time消耗,

3)Power sleep和active的頻率,

 

power gating可以完全關掉dynamic的power消耗,但是leakage只會減少,不會消失,因為power gating技術仍需要加入一些isolate cell

和retention cell,帶來leakage。

 

power gate對不同的sub-system的影響:

對於cache cpu system,Power gating可以很大程度的減少leakage,消除dynamic power,但是cache內容的復原,需要花費

很大的time和energy;

對於peripheral system,device的driver可能需要特殊的initial hardware sequence,使得軟件的負擔加重;

對於multi-processor CPU,每當一個core完成自己的task,都可以power gating,清除自己的cache,但是big-little的core調用

需要一定的算法支撐。

 

外部power gating,要求板級中有多個voltage regulator,帶來相應的RC,增大了板級負擔,而且,switch time花費的太多。

所以現在多使用internel power gating。

 

一個典型的Power Gate系統:

由於power gated block的輸出由於電容的存在,電壓丟失的比較慢,使得電壓在Vt附近停留較長時間,可能出現狐電流(crowbar current)

所以需要加入isolate單元,同時支持兩個voltage的操作,提高timing closure。

 

為了能夠恢復到原來的狀態,還需要加入rentention register來代替regular的register。retention register會附加一個shadow latch在

regular register之后,使用高Vt單元來減少leakage,但是timing會不太好。

 

Power Switch的結構:fine grain power gating和coarse grain power gating。

fine grain power gating表示,每個switch都放在cell內部。這樣使得面積增大1x-3x。

這樣做的優勢:可以更好的控制由於IR-Drop而導致的timing問題。

 

coarse grain power gating,一個block的gates擁有一組switch cell。比較節約面積。

但是這樣的設計,必須控制好起電的沖擊電流,控制power network中的IR-drop。

目前使用最多。

 

Power Gating設計中的重點:
1)Power Switch的設計;

2)Power Gating controller的設計;

3)retention register和isolation cell的選擇及插入;

4)Power Gating對area和timing的影響;

5)clock和reset模塊的設計;

6)Power State transaction的verfication;

7)針對manufacturing的DFT設計策略;


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