概念：

Power/Ground Gating是集成電路中通過關(guān)掉那些不使用的模塊的電源或者地來降低電路漏電功耗的低功耗設(shè)計方法。該方法能降低電路在空閑狀態(tài)下的靜態(tài)功耗，還能測試Iddq。

理論：

在電路中的某些模塊進(jìn)入休眠或者空閑模式時，我們可以使用之前講過的Clock Gating技術(shù)來降低它們的動態(tài)功耗，但是無法降低它們的靜態(tài)功耗。而Power/Ground Gating技術(shù)可以在它們休眠的時候完全關(guān)掉它們的電源從而消除它們的靜態(tài)功耗。

理想情況下，Power gating可以完全消除電路的靜態(tài)功耗，可實際電路中Power gating只能完全關(guān)掉dynamic的power消耗，而leakage卻只會減少，不會消失，因為power gating技術(shù)仍需要加入一些Always On的Cell（比如switching cell、isolate cell和retention cell，它們都是一直開啟的，它們的電源不能被關(guān)斷，會帶來leakage）。

如下圖所示為采用了Power gating的電路動態(tài)功耗與靜態(tài)功耗在active模式以及sleep模式下功耗的變化曲線。

Power gating中用到的幾種Cell

接下來將對幾種Cell分別介紹。

由于內(nèi)容非常多，非常詳細(xì)，所以本推文先介紹第一個--Power Switching Cell。

Power Switching Cell

Power Gating或者Ground Gating相應(yīng)Switching Cell的選取：

Power Gating -> Header -> PMOS

Ground Gating -> Footer -> NMOS

由于Power Switching Cell是Always On Cell，因此為了降低它上面的功耗，一般采用高閾值MOS管實現(xiàn)。下面的圖中MOS管上面黑線加粗表示高閾值器件。

下面給出兩種方案各自的特點，優(yōu)缺點以及兩種門控方案在SLEEP模式下哪種功耗更低。

下圖是Power Gating方案：

特點：

用PMOS實現(xiàn)的Header，用來控制電源的接通與否。

優(yōu)點：

比Footer實現(xiàn)的Ground Gating功耗更低，因為Header下方的PMOS（在實際電路中會有很多）體端接Virtual VDD，在SLEEP模式下約為0V，不存在PN節(jié)反偏注入電流。

缺點：

PMOS驅(qū)動能力弱，與Footer相比需要占用更大的面積。

注意：該缺點在先進(jìn)工藝下已經(jīng)不存在，由于鍺硅工藝的引入，PMOS可能比NMOS驅(qū)動還要強(qiáng)一些。由于該缺點已經(jīng)不存在，因此先進(jìn)工藝下更多采用Header，也就是Power Gating。

Ground Gating方案：

特點：

用NMOS實現(xiàn)的Footer，用來控制GND的接通與否。

優(yōu)點：

在之前的老工藝中，相同尺寸的NMOS驅(qū)動能力比PMOS要強(qiáng)，因此與Header相比采用Footer的Ground Gating更省面積。

但是在先進(jìn)工藝中，該優(yōu)點也逐漸喪失了，原因前面已經(jīng)解釋過了。

缺點：

在SLEEP模式下，漏電功耗比較大。

因為如下：Footer上方的NMOS（在實際電路中會有很多）體端是P襯底，在單阱工藝下只能接GND，在SLEEP模式下NMOS源漏兩端的電位都差不多是VDD，此時NMOS存在很大的PN節(jié)反偏注入電流。

Power Switching Cell的啟動與關(guān)閉

Power Switching Cell的個數(shù)、分布以及啟動、關(guān)閉上都有講究。

這對IR-drop、Timing、漏電流、啟動及關(guān)閉的速度等都有影響。

另外，所有的Header或者Footer也不能同時一起打開或者關(guān)閉，因為這樣在電源或者地上會有很大的開關(guān)噪聲，如下圖所示：

為了避免這種現(xiàn)象，目前的集成電路設(shè)計中廣泛采用如下圖所示的Daisy Chain結(jié)構(gòu)，多個Footer或者Header之間插入Buffer，每隔一段時間開啟/關(guān)閉一組，再隔一段時間開啟/關(guān)閉另外一組……直到最后所有的Switching Cell開啟/關(guān)閉為止。

Power Switching Cell的種類與分布

前面我們根據(jù)Power或者Ground Gating來將Switching Cell分為兩種：Header和Footer。

另外，我們還可以根據(jù)Switching Cell控制Cell的形式將它分為兩種：Coarse Grain Power Switch Cell和Fine Grain Power Switch Cell。

后者是專門在一些邏輯單元內(nèi)設(shè)計的電源控制邏輯，控制簡單，但是面積比較大，如下圖所示：

而前者是分立的Switching Cell，可以在版圖中控制它們的分布，設(shè)計復(fù)雜度大一點，但是面積開銷比較小，現(xiàn)在廣泛采用這種形式。

根據(jù)前面講述的內(nèi)容，Power Switching Cell在物理版圖中的分布有一定的要求。

有列狀分布：

還有環(huán)狀分布：

考慮到前面講的Daisy Chain結(jié)構(gòu)以及IR-drop等因素，目前廣泛采用列狀排布。

Power Switching Cell的lib描述

前面講到，Power Switching Cell有兩種，分別為Coarse Grain Power Switch Cell和Fine Grain Power Switch Cell。

下面是一個Coarse Grain Power Switch Cell的Liberty格式描述：

library（《coarse_grain_library_name》） { #library 描述開始

…

lu_table _template （ template_name ） #電壓狀態(tài)template描述，dc_current組中會使用

variable_1 ： input_voltage;

variable_2 ： output_voltage;

index_1 （ 《float》， … ）;

index_2 （ 《float》， … ）;

}

…

cell（《cell_name》） { #某個Power Switching Cell描述開始

switch_cell_type ： coarse_grain; #Switching Cell類型是coarse_grain，暫時只支持該類型

…

pg_pin （ 《VDD/VSS pin name》 ） { #聲明電源和地的pg_pin格式

pg_type ： primary_power | primary_ground; #他們是主電源和主地

direction ： input ; #方向是輸入

…

}

/* Virtual power and ground pins use “switch_function” to describe the logic to

shut off the attached design partition */

pg_pin （ 《virtual VDD/VSS pin name》） { #聲明內(nèi)部電源和地，這就是輸出電源/地的端口

pg_type ： internal_power | internal_ground;

direction： output; #方向是輸出

…

switch_function ： “《function_string》”; #定義開斷控制功能，例如SLEEP

pg_function ： “《function_string》”; #內(nèi)部電源或地功能與輸入的pg_pin一致，對于header switch來說就是premary_power的Pin Name，對于Footer Switch來說就是primary_ground的Pin Name

}

dc_current （ 《dc_current_name》 ） { #定義不同條件下輸出Pin的穩(wěn)定電流值，EDA工具利用該數(shù)據(jù)計算IR Drop，并進(jìn)行Switch的優(yōu)化。

related_switch_pin ： 《input_pin_name》; #定義控制開斷的Pin

related_pg_pin ： 《VDD pin name》; #定義可以被控制開斷的電源Pin，如果是Footer Switch則是地Pin

related_internal_pg_pin ： 《Virtual VDD》; #定義不會被關(guān)閉的內(nèi)部電源Pin，F(xiàn)ooter Switch則是地Pin

values（”《float》， …”）; #定義不同狀態(tài)下的該Cell輸出的電流值

}

pin （SLEEP） { #Pin SLEEP定義開始，SLEEP只是舉例

direction ： input;

switch_pin ： true; #表示該輸入Pin是switch pin，控制電源/地的開斷

…

/* The acknowledge output pin uses “function” to represent the propagated switching signal

*/

pin（《acknowledge_output_pin_name》） { #定義應(yīng)答輸出Pin開始，完成開斷后，與switch pin狀態(tài)一致，有的Switch Cell可能沒有該pin

…

function ： “《function_string》”; #功能定義，應(yīng)該與SLEEP狀態(tài)一致

power_down_function ： “function_string”; #定義關(guān)斷后電源狀態(tài)，如對于Header switch來說可以是！VDD+VSS，而Footer Switch來說可以是！VSS+VDD

direction ： output;

…

} /* end pin group */

} /* end cell group */

Fine Grain Power Switch Cell的Liberty格式描述：

cell（《cell_name》） { #Fine Grain Power Switch Cell都是某個Cell內(nèi)的一部分，不單獨(dú)出現(xiàn)

is_macro_cell ： true; #定義是不是macro cell

switch_cell_type ： coarse_grain | fine_grain; #多數(shù)設(shè)置為fine_grain

pg_pin （ 《power/ground pin name》 ） { #定義電源信號，primary_是可以斷開的，backup_是不會斷開的。

pg_type ： primary_power | primary_ground | backup_power | backup_ground;

direction： input | inout | output;

…

}

/* This is a special pg pin that uses “switch_function” to describe the logic to shut

off the attached design partition */

pg_pin （ 《internal power/ground pin name》） { #定義內(nèi)部電源/地

direction： internal | input | output | inout;

pg_type ： internal_power | internal_ground;

switch_function ： “《function_string》”;

pg_function ： “《function_string》”;

…

}

pin （《input_pin_name》） {

direction ： input | inout;

switch_pin ： true | false; #如果是switch pin就是true

…

}

…

pin（《output_pin_name》） {s

direction ： output | inout;

power_down_function ： 《function_string》;

…

} /* end pin group */

} /* end cell group */