Қуат қақпасы - Power gating

Қуат қақпасы - бұл қолданылатын әдіс интегралды схема азайту үшін дизайн күш өшіру арқылы тұтыну ағымдағы пайдаланылмаған тізбектің блоктарына. Күту режиміндегі немесе ағып кететін қуатты төмендетуден басқа, қуат қақпасы мүмкіндік береді Iddq тестілеуі.

Шолу

Қуат қақпасы дизайн архитектурасына әсер етеді сағат қақпасы. Бұл уақыттың кешігуін көбейтеді, өйткені қуатты режим режиміне қауіпсіз еніп, шығу керек. Архитектуралық келіспеушіліктер төмен қуатты режимдерде электр қуатын үнемдеу көлемін жобалау мен төмен қуат режимдеріне кіру және шығу үшін энергияны бөлу арасында болады. Блоктарды өшіру бағдарламалық жасақтама немесе аппараттық құралдар арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Драйвердің бағдарламалық жасақтамасы қуатты өшіру әрекеттерін жоспарлай алады. Аппараттық таймерлерді пайдалануға болады. Қуатты басқарудың арнайы контроллері - бұл басқа нұсқа.

Сыртқы коммутатор - бұл электр қуатын ысырудың ұзақ мерзімді қысқаруына қол жеткізу үшін электр қақпасының негізгі түрі. Блокты кішкене уақыт аралығында өшіру үшін ішкі қуат қақпасы қолайлы. CMOS электр тізбегіне қуат беретін ажыратқыштар қуат ысырмасын реттегіштермен басқарылады. Қуатты блоктың шығысы баяу разрядталады. Демек, кернеудің шығыс деңгейлері кернеу деңгейінде көп уақытты жұмсайды. Бұл қысқа тұйықталу тогының көбеюіне әкелуі мүмкін.

Қуат қақпасы төмен ағып кетуді қолданады PMOS транзисторлары күту режимінде немесе ұйқы режимінде дизайн бөліктеріне қуат көздерін өшіру үшін тақырып ауысады. NMOS төменгі колонтитулдарды ұйқы транзисторлары ретінде де пайдалануға болады. Ұйқы транзисторларын енгізу чиптің электр желісін қуат көзіне қосылған тұрақты қуат желісіне және ұяшықтарды басқаратын және өшіруге болатын виртуалды қуат желісіне бөледі.

Әдетте, жоғарыVt ұйқы транзисторлары қуат қақпасы үшін қолданылады, сонымен қатар техникада көп шекті CMOS (MTCMOS). Ұйқы транзисторының өлшемі маңызды жобалау параметрі болып табылады.

Бұл күрделі электр желісінің сапасы электр шлюзінің дизайны үшін өте маңызды. Маңызды параметрлердің екеуі - IR-дің түсуі және кремний аймағындағы айыппұлдар және маршруттық ресурстар. Қуатты қақпақты ұяшық немесе кластерге негізделген (немесе ұсақ дәнді) тәсілдер немесе үлестірілген ірі түйіршікті тәсіл арқылы жүзеге асыруға болады.

Параметрлер

Қуат қақпасын енгізу уақытты жабуды жүзеге асыруға қатысты қосымша мәселелерге ие. Осы әдіснаманы сәтті жүзеге асыру үшін келесі параметрлерді ескеру қажет және олардың мәндері мұқият таңдалуы керек.[1][2]

  1. Қуат қақпасының өлшемі: Кез-келген уақытта ауысу тогының мөлшерін басқару үшін қуат қақпасының өлшемін таңдау керек. Қақпа үлкен болғандықтан, қақпаға байланысты өлшенетін кернеудің (ИҚ) төмендеуі болмайды. Ереже бойынша, қақпаның өлшемі коммутациялық сыйымдылықтан 3 есе артық болатын етіп таңдалады. Сондай-ақ, дизайнерлер тақырып (P-MOS) немесе төменгі деректеме (N-MOS) қақпаларын таңдай алады. Әдетте колонтитулдардың қақпалары бірдей коммутациялық токтың аумағында кішірек болады. Динамикалық қуатты талдау құралдары коммутация тогын дәл өлшей алады, сонымен қатар қуат қақпасының өлшемін болжай алады.
  2. Қақпаның басқару жылдамдығы: Қуат шлюзінде бұл қуат шкаласының тиімділігін анықтайтын маңызды параметр болып табылады. Қашан өлтіру жылдамдығы үлкен, тізбекті сөндіруге және қосуға көп уақыт кетеді, демек, қуат ысырмасы тиімділігіне әсер етуі мүмкін. Қозғалыс жылдамдығы қақпаны басқару сигналының буферлік көмегімен басқарылады.
  3. Бір уақытта коммутация сыйымдылығы: Бұл маңызды шектеу электр желісінің тұтастығына әсер етпестен бір уақытта ауыстыруға болатын тізбектің мөлшерін білдіреді. Егер тізбектің көп мөлшері бір уақытта ауыстырылса, нәтижесінде пайда болған «ағынды ток» электр желісінің тұтастығын бұзуы мүмкін. Бұған жол бермеу үшін тізбекті кезең-кезеңмен ауыстыру қажет.
  4. Қуат қақпасының ағуы: Қуат қақпалары белсенді транзисторлардан жасалғандықтан, ағып кетуді азайту қуатты барынша үнемдеу үшін маңызды мәселе болып табылады.

Әдістер

Жіңішке дәнекерленген электрлік қақпа

Өшіруге жататын әрбір ұяшыққа ұйқы транзисторын қосу үлкен айыппұл салады және әрбір клетканың қуатын жеке-жеке бөлу, шешілуі қиын кластер аралық кернеудің өзгеруіне байланысты уақыт мәселелерін тудырады. Жіңішке дәнекерленген қақпа стандартты ұяшық логикасының бөлігі ретінде коммутациялық транзисторды қаптайды. Ауыстырушы транзисторлар кітапхананың IP жеткізушісімен немесе стандартты ұяшық дизайнерімен жасалады. Әдетте бұл ұяшықтардың құрылымдары қалыпты стандартты ұяшық ережелеріне сәйкес келеді және оларды іске асыру үшін EDA құралдарымен оңай өңделеді.

Қақпаны басқарудың мөлшері ең сценарийді ескере отырып жасалған, ол схеманы әр сағаттық цикл кезінде ауыстыруды қажет етеді, нәтижесінде ауданға үлкен әсер етеді. Жақында жасалған кейбір дизайндар ұсақ түйіршікті қуат қақпасын таңдамалы түрде жүзеге асырады, бірақ төмен Vt жасушалары үшін ғана. Егер технология бірнеше Vt кітапханаларына мүмкіндік берсе, төмен Vt құрылғыларын жобалауда минималды болып табылады (20%), демек, ауданның әсерін азайтуға болады. Төменгі Vt ұяшықтарында қуат қақпаларын пайдаланған кезде, егер келесі сатыда жоғары Vt ұяшық болса, шығыс оқшаулануы керек. Әйтпесе, бұл жоғары Vt ұяшығында ағып кетуіне әкелуі мүмкін, себебі қуат шлюзі салдарынан шығу белгісіз күйге өтеді.

Қақпаның басқару жылдамдығын шектеуге басқару сигналдары үшін буферлік тарату ағашының болуы арқылы қол жеткізіледі. Буферлер әрқашан Vt жоғары ұяшықтарымен жобаланған буферлер жиынтығынан (қақпаны басқару сигналынсыз буферден) таңдалуы керек. Ұяшықтың екіншісіне қатысты өшуі арасындағы айырмашылық қосылу және өшіру кезінде жылдам токты азайтады.

Әдетте қақпалы транзистор жоғары Vt құрылғысы ретінде жасалған. Дөрекі дәнекерленген электрлік қақпа коммутациялық белсенділігі төмен жерлерде электр қуатының ұяшықтарын оңтайландыру арқылы икемділікті ұсынады. Ағып кетуді оңтайландыру өрескел дән деңгейінде жүргізілуі керек, төмен ағып кету ұяшығын жоғары ағып кетуге ауыстыру керек. Жіңішке дәнекерленген электрлік қақпа - бұл ағып кетуді 10 есеге дейін азайтуға әкелетін талғампаз әдіснамалар. Қуатты азайтудың бұл түрі оны тартымды әдіске айналдырады, егер қуатты азайту талабы бірнеше Vt оңтайландыруымен қанағаттандырылмаса.

Ірі дәнді қуат қақпасы

Дөрекі тәсіл жасушаларды жергілікті виртуалды электр желілері арқылы басқаратын ұйқы транзисторларының торлы стилін жүзеге асырады. Бұл тәсіл PVT вариациясына онша сезімтал емес, IR-тамшысының аз вариациясын енгізеді және ұяшыққа немесе кластерге негізделген енгізулерден гөрі үстеме аймақты жүктейді. Ірі түйіршікті қуат қақпасында қуатты транзистор стандартты ұяшыққа қарағанда қуат тарату желісінің бөлігі болып табылады.

Ірі дәнді құрылымды жүзеге асырудың екі әдісі бар:

  1. Сақина негізіндегі: Қуат қақпалары сақина ретінде өшіріліп жатқан модульдің периметрі бойынша орналастырылған. Қуат сигналдарын бұрыштарға бұру үшін арнайы бұрыштық ұяшықтар қолданылады.
  2. Бағанға негізделген: Қуат қақпалары модуль ішіне баған түрінде ұяшықтар бір-бірімен орналастырылған. Әлемдік қуат - бұл металдың жоғарғы қабаттары, ал ауысқан қуат - төменгі қабаттарда.

Қақпаның өлшемі кез-келген уақытта модульдің жалпы ауысу тогына байланысты. Кез-келген уақытта тізбектердің тек бір бөлігі ғана ауысатындықтан, қуат қақпасының өлшемдері ұсақ түйіршіктерге қарағанда аз болады. Нашар векторларды қолдана отырып динамикалық қуатты модельдеу модуль үшін ең нашар жағдайдағы коммутацияны анықтай алады, демек, оның өлшемі. Сондай-ақ, IR-дің төмендеуін талдауда ескеруге болады. Бір уақытта коммутациялық сыйымдылық ірі электрлік қақпаларды іске асыруда маңызды мәселе болып табылады. Бір мезгілде ауыстыруды шектеу үшін қақпаны басқару буферлерін тізбектеуге болады, ал ажыратқыштардың блоктарын таңдаулы түрде қосу үшін арнайы санауыштарды қолдануға болады.

Оқшаулау жасушалары

Оқшаулау ұяшықтары қысқа тұйықталу тогының алдын алу үшін қолданылады. Атауынан көрініп тұрғандай, бұл ұяшықтар қуат блогын қалыпты-On блогынан оқшаулайды. Оқшаулау ұяшықтары кіріс кернеу деңгейінде болған кезде қысқа тұйықталу тогына арналған. Оқшаулауды басқару сигналдары қуат қақпасының реттегішімен қамтамасыз етіледі. Ауыстырылатын модульдің сигналдарын оқшаулау дизайн тұтастығын сақтау үшін өте маңызды. Әдетте қарапайым немесе ЖӘНЕ логика шығуды оқшаулау құрылғысы ретінде жұмыс істей алады. Модуль тоқтағанға дейін күйді сақтау үшін күйді сақтаудың бірнеше схемасы іс жүзінде қол жетімді. Ең қарапайым әдіс - модульді өшірмес бұрын регистр мәндерін жадқа сканерлеу. Модуль оянған кезде мәндер жадтан сканерленеді.

Сақтау регистрлері

Қуат қақпағын пайдаланған кезде, жүйеге күйді сақтаудың қандай-да бір түрі қажет, мысалы, жедел жадқа деректерді сканерлеу, содан кейін жүйені қайта ойнатқан кезде оны қайта сканерлеу. Маңызды қосымшалар үшін жад күйлері ұяшық ішінде сақталуы керек, бұл шарт биттерді кестеде сақтау үшін сақтау флопты қажет етеді. Бұл ояту кезінде биттерді тез қалпына келтіруге мүмкіндік береді. Сақтау регистрлері - бұл электр энергиясы бар блоктың негізгі регистрлерінің деректерін ұстау үшін пайдаланылатын төмен төмен ағып кететін флип-флоптар. Осылайша, қуатты өшіру режимінде блоктың ішкі күйін сақтауға және блокты қайта қосқан кезде оған қайта жүктеуге болады. Сақтау регистрлері әрқашан қуатталады. Сақтау стратегиясы дизайнға байланысты. Қуатты кіру бақылаушысы қуат блогының ағымдық мазмұнын қашан сақтау және оны қайтадан қалпына келтіру сияқты ұстап қалу механизмін басқарады.

Сондай-ақ қараңыз

Пайдаланылған әдебиеттер

  1. ^ Power-Gate дизайнына арналған практикалық электр желісінің синтезі, 11/01/2008
  2. ^ Ананд Айер, «Қуат қақпасын демистификациялау және суық ағып кетуді тоқтату», Cadence Design Systems, Inc., 11/01/2008, [1]
  • Де-Шиуан Чиу, Ших-Хсин Чен, Чингвэй Ие, «Қуатты қақпаны басқару уақыты», Дизайнды автоматтандыру бойынша 43-ші жыл сайынғы конференция материалдары, ACM Special Interest Group Design Automation, 121–124 бб, 2006
  • http://asic-soc.blogspot.com/2008/04/power-gating.html