【低功耗 Power 学习专栏 -- Power domian 和 power rail】

power rail(followpin) 和 Power domain

followpin 指两部分，一个就是 STD cell 上下的 VDD, VSS。同时，followpin 又指一条 row上所 有STD cell 并排起来时连接 power pin 的 power rail.

Followpins 主要是形成 standard cell 的供电网络，并将其与芯片core里面的电源网络相连，比如说电源环线 power ring 和 电源条线 power stripe。如上图所示（蓝色部分）。

每条 followpins 都需要加在 core 里面的 row上，由于standard cell的电源pin都在顶和底上面，这样当standard cell 做完 placement，摆放到 row上以后，就能自动地接上 followpins上的供电，有点像火车轨道一样，当然前提是电源VDD和VSS顺序没有搞错。

1. Power Domain

在 SoC 设计中，电源管理是确保芯片能够正常工作和高效运行的核心部分。以下是对几个关键术语的详细解释及一个综合的实际案例分析：

• 定义 ：Power domain 是指芯片内通过设计划分的一个电源区域，用于控制这一特定区域电路的供电状态。

• 作用 ：

  • 提供动态电源管理（Dynamic Power Management, DPM），通过开关电源域降低功耗。

  • 在复杂 SoC 中支持多电压工作。例如，逻辑域可能工作在 1.0V，而内存域工作在 0.8V。

• 实现 ：

  • 使用电源开关（Power Switch）控制开关状态。

  • 加入电源隔离单元（Isolation Cell）防止关断域信号泄露。

  • 复位单元（Retention Cell）确保关断期间状态保存。

• 应用 ：
  • 手机 SoC 中可以设置独立的 GPU 电源域，在不需要高性能图形时关闭。

2. Power Rail

• 定义 ：Power rail 是指芯片中的一条或多条电源轨，负责传输特定电压的电流到相应的电路模块。
  

• 种类 ：

  • Core Voltage Rail ：用于为芯核提供电压。

  • IO Voltage Rail ：用于接口逻辑，比如与外部设备通信时的 3.3V 供电。

  • Analog Voltage Rail ：为模拟模块提供供电，比如 PLL。

• 特点 ：

  • 每个 rail 都设计为特定的电压等级。

  • 在设计中需优化轨道宽度和布线电阻以满足电流需求。

3. Followpin

• 定义 ：Followpin 通常指在布局布线工具中，某些电源或地信号的分布点或参考点，用于指导电源网络的布线。

• 功能 ：

  • 指定某些逻辑模块与特定电源区域关联。

  • 确保电源轨从跟随点起精确连接到电路的指定区域。

• 重要性 ：

  • 避免不必要的电源绕线。

  • 提高布线效率，特别是在低功耗设计中需要精确的电源网络分布。

4. Power Stripe

• 定义 ：Power stripe 是在布局布线中用宽轨形式分布的电源和地线，确保电流均匀分布到各电路模块。

• 特点 ：

  • 宽轨设计降低电阻，减少电压降。

  • 经常呈网格状，与标准单元或宏单元的引脚相连。

• 设计原则 ：

  • 宽度 ：宽度根据 IR Drop 和电流密度需求计算。

  • 间距 ：间距与功耗及模块密度相关。

• 例子 ：

  • 在核心电源域中每隔一段距离布置 VDD 和 VSS 的 parallel stripe。

5. IR Drop

• 定义 ：IR Drop 指电流通过电源网络时由于网络的电阻（R）产生的电压下降（V=IR）。

• 问题 ：

  • 过大的 IR Drop 会导致：

    • 电路运行不稳定。

    • 时序问题（Critical Path Timing Failure）。

  • 可能引发 EM（Electromigration）问题，加剧寿命缩短。

• 优化 ：

  • 电源规划 ：增加 Power Stripe 的数量或宽度。

  • 层叠优化 ：通过增加金属层的布线分摊电流。

  • 本地电容 ：在关键模块附近放置电容作为动态电流补偿。

• 测量 ：

  • 在 Place and Route (P&R) 后使用分析工具如 RedHawk 或 Voltus 进行静态和动态 IR Drop 测试。

芯片中电源管理设计 举例

假设设计一个手机应用处理器，主要包含 CPU、GPU、DSP 和内存模块。以下是具体设计中如何涉及上述概念：

1. Power Domain 划分 ：

• CPU 使用高性能的 Power Domain（电压 1.0V）。

• GPU 单独划分，支持动态电源开关（电压 0.95V）。

• 内存单元使用低功耗域（电压 0.8V）。

2. Power Rail 布局 ：

• 主电源轨 VDD_Core 供应到 CPU、GPU 和 DSP。

• VDD_Mem 提供给内存模块。

• VDD_IO 单独划分给接口模块（电压 3.3V）。

3. Followpin 应用 ：

• 在布局布线中设置电源 followpin，从 VDD_Core 分布到 CPU 区域。

• 确保内存区的所有电源均与 VDD_Mem 的 followpin 精确匹配。

4. Power Stripe ：

• 在 GPU 区域，由于功耗较高，需要增加多个宽 10 µm 的 Power Stripe 。

• 采用交错布线减少高频信号对电源的干扰。

5. IR Drop 处理 ：

• 在物理设计工具中分析 GPU 区域的 IR Drop，发现某处电压低于设计规格。

• 解决措施：

  • 在低电压点增宽电源轨道。

  • 放置局部去耦电容，缓解电源尖峰需求。

通过这些方法，一个复杂的芯片可以在不同工作模式下实现高效、可靠的电源管理，同时满足性能和低功耗的设计需求。

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