数字后端——低功耗单元库

在之前的文章中，介绍了低功耗设计物理实施的方案：

数字后端——低功耗设计物理实施_沧海一升的博客-CSDN博客_低功耗设计低功耗设计方案所涉及到的物理实施相关内容https://blog.csdn.net/qq_21842097/article/details/119918312 为了实现例如门控时钟，多电源电压，多阈值电压，门控电源等低功耗技术，芯片设计的单元库必须有一些特殊的器件来支持完成这些低功耗技术的实现。这些支持低功耗物理设计的特殊器件将在本文中详细讲述。

一、带电源信息的库

在较早的集成电路设计时期，由于所有的器件都连接在VDD 和VSS 上，所以单元库的元件都连接在单一的通用的电源上。库里的器件并没有关于电源的相关信息。随着多电源电压的使用，指定特殊的电源管脚来连接特定的电压就变的必不可少了。比如，电平转换器单元（Level Shifter）中就有不同的管脚来连接不同的电源电压。

在物理设计的流程中需要用到的标准单元的逻辑库文件（.db）是要带有这种电源信息的。如果库里没有这种信息，可以用EDA 工具把不带电源信息的标准单元逻辑库转换成带电源信息的标准单元逻辑库。在IC Compiler 或者Design Compiler 中使用add_pg_pin_to_db，就可以完成上述转换。当然上述工具同样可以使用add_pg_pin_to_lib命令，把电源信息添加到.lib 库中。

二、多阈值电压的器件

多阈值电压的单元库中，每一种逻辑门都会有两种或者多种不同阈值电压的单元。逻辑单元的延迟和泄漏功耗受阈值电压的影响。低阈值电压器件单元的转换速度较快，但是会有较高的泄漏功耗。而高阈值电压器件单元泄漏功耗较小，但它的转换时间会比较长。

在标准单元库里，我们一般会用threshold_voltage_group 命令来指定库中单元具体属于哪种阈值电压的器件。在标准单元库中，多阈值电压器件的具体定义如下所示，其中器件单元AND1_H 属于高阈值电压的器件，而AND1_L 属于低阈值电压的器件。

三、电平转换器单元（Level shifter）

在一个使用多电源电压技术的设计中，由于不同电压域之间的电压不同，我们一般需要电平转换器单元来转换。电平转换器单元就像一个缓冲器连接着一个电压域的输出端口和一个电压域的输入端口。其作用主要是在最小的延迟下把逻辑信号从一种电压转变到另一种电压，如图所示。

标准单元库中对电平转换器单元的信息一般包括以下几个方面：

电平转换类型：一般可分从低电平到高电平的电平转换器单元和从高电平到低电平的电平转换器单元两种类型；
支持电压的大小；
连接到特定的电压的引脚。

以一个从低电平变换到高电平的电平转换器单元为例，其在标准单元库中的信息为：

物理设计实现EDA 工具IC Compiler 可以根据具体的情况，在标准单元库中找到合适的电平转换器单元，插入合适电平转换器到网表中，然后合理摆放，连接相应的连线完成此设计。

四、隔离单元（Isolation Cell）

对于一个使用门控电源技术的设计，在不同电源域（Power Domain）之间需要使用隔离单元（Isolation Cell）来隔离，从而使不同电源域之间相互不受干扰。这种单元会有一个使能输入引脚，通过这个引脚我们可以相当简单地控制其工作模式。当其输出和输入都接通电源时，它就像一个缓冲器。当其输入不接通电源的时候，只有一个稳定的输出信号。如图所示。

由于在现阶段的低功耗设计中会使用多种低功耗技术，例如多电源电压低功耗技术和门控电源同时使用时，存在两种不同电源电压其中某个区域还可以关断电源的情况，这个时候我们就需要一种同时具有隔离功能和电平转换功能的器件单元，我们称这种器件单元叫使能的电平转换器单元（Enable Level Shifter Cell）。其结构如图所示。

这种器件在标准单元库的描述如下：

五、电源开关单元（Power Switch Cells）

在一个使用门控电源低功耗技术的设计中，为了适时地关断电源就需要一个控制VDD关断的器件单元（称为Header Power Switch Cell）或者一个控制VSS 关断的器件单元（称为Footer Power Switch）。控制VDD 关断的器件连接在VDD 的电源轨道上（VDD Rail）来控制是否接通VDD。控制VSS 关断的器件连接在VSS 的电源轨道上（VSS Rail）来控制是否接通VSS。