為什么要做low power check

隨著power架構(gòu)和復(fù)雜電壓域劃分的復(fù)雜性不斷增加，同時(shí)推動(dòng)這些復(fù)雜power邏輯的功能和物理驗(yàn)證變得勢(shì)在必行。然而，盡管工程師做了不懈努力地驗(yàn)證工作，一些問(wèn)題仍可能會(huì)被跳過(guò)并進(jìn)入硅片。為避免因低功耗問(wèn)題導(dǎo)致芯片故障，工程師需要找到最先進(jìn)的方法來(lái)管理預(yù)期外的低功耗問(wèn)題。

CPF（Common Power Format）是一種描述power intent的標(biāo)準(zhǔn)格式，工程師使用它來(lái)描述設(shè)計(jì)的低功耗相關(guān)問(wèn)題。如圖 1(a) 所示，沒(méi)有 CPF 的設(shè)計(jì)只有邏輯連接。但是，如圖 1(b) 所示，一旦引入 CPF，設(shè)計(jì)的power連接關(guān)系也會(huì)出現(xiàn)。所有低功耗設(shè)計(jì)都必須符合 CPF 內(nèi)定義的低功耗規(guī)范，因此應(yīng)將其作為設(shè)計(jì)周期的一部分。

圖1（a）: Design state without CPF

圖1（b）：Design state with CPF

為確保設(shè)計(jì)符合?CPF?中定義的低功耗約束，需要使用相同的?CPF?執(zhí)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)檢查（static & dynamic?low?power?check?）。

起初，似乎單獨(dú)使用靜態(tài)驗(yàn)證或動(dòng)態(tài)驗(yàn)證就足以發(fā)現(xiàn)所有與低功耗相關(guān)的問(wèn)題，并且沒(méi)有必要同時(shí)運(yùn)行這兩種檢查。但實(shí)際上，情況并非如此。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)低功耗驗(yàn)證中的每一個(gè)都有不同的驗(yàn)證范圍，單獨(dú)使用它們中的任何一個(gè)都不足以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)健驗(yàn)證。

在本文中，我們將討論使用通用 CPF 進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)低功耗檢查的必要性。

低功耗靜態(tài)驗(yàn)證檢查有助于在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期使用形式驗(yàn)證技術(shù)（相對(duì)于仿真）驗(yàn)證低功耗設(shè)計(jì)的正確實(shí)施。這些對(duì) RTL 的靜態(tài)檢查有助于預(yù)先找到 CPF 的完整性，確保 CPF 包含電源和電壓域交叉的所有Isolation和level shifter規(guī)則。這將確保在兩個(gè)電壓或功率域之間不會(huì)遺漏任何low power cell。靜態(tài)驗(yàn)證通過(guò)識(shí)別錯(cuò)誤來(lái)體現(xiàn)價(jià)值，否則在 RTL 仿真中發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤非常困難且耗時(shí)。

但是有些問(wèn)題無(wú)法使用靜態(tài)檢查來(lái)發(fā)現(xiàn)。讓我們?cè)敿?xì)討論其中的一些場(chǎng)景。

現(xiàn)在考慮具有兩個(gè)電源域（常開(kāi)和可切換）的設(shè)計(jì)，并且存在從可切換電壓域到常開(kāi)電壓域的交互，如圖 2 所示。

圖2?從可切換電壓域到常開(kāi)電壓域的交互

logic_0? level的Isolation應(yīng)該插入在此交叉點(diǎn)?，F(xiàn)在，時(shí)序優(yōu)化期間的邏輯重組發(fā)生在交叉點(diǎn)上，此時(shí)在net添加了一對(duì)反相器，如圖 3 所示。

圖3?從可切換電壓域到常開(kāi)電壓域的邏輯重組

現(xiàn)在，如圖 4 所示，當(dāng) logic_0? level的Isolation插入此交叉點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)在正常功能模式操作期間工作正常，因?yàn)樵谶@種情況下隔離單元處于旁路模式。但是當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，Isolation通過(guò)“iso_en”信號(hào)啟用。隨著Isolation的觸發(fā)，一個(gè)常量（例如“邏輯?0”）將從隔離單元的輸出傳播到常開(kāi)電壓域。在待機(jī)階段，“邏輯?0”被Isolation強(qiáng)制賦值，但由于在優(yōu)化期間添加了反相器，“邏輯 1”到達(dá)可切換電壓域中的邏輯，這將破壞設(shè)計(jì)的功能。

圖4：重組邏輯上的Isolation

靜態(tài)驗(yàn)證檢查無(wú)法驗(yàn)證可以斷言關(guān)鍵低功率信號(hào)的時(shí)序器件。一種此類檢查的基本示例是isolation assertion檢查，它確保隔離控制信號(hào)在電源關(guān)閉之前斷言，然后在隔離控制取消斷言之前重新打開(kāi)電源，如圖 5 所示。

圖5：Iso_En信號(hào)和power的時(shí)序關(guān)系

動(dòng)態(tài)低功耗檢查有助于驗(yàn)證所有電源管理元件的功能。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它使用了一組刺激：DUT（測(cè)試中的設(shè)計(jì)），捕獲設(shè)計(jì)的邏輯功能；CPF（通用電源格式），捕捉設(shè)計(jì)的電源意圖。

激勵(lì)是根據(jù)power intent和 DUT 的功能準(zhǔn)備的信號(hào)組合。根據(jù)提供的激勵(lì)，RTL 的某些部分被關(guān)閉，同時(shí)保持某些部分始終處于開(kāi)啟狀態(tài)。模擬器強(qiáng)制 Xs，將來(lái)自關(guān)閉電壓域的信號(hào)發(fā)送到常開(kāi)電壓域，以模擬它們的關(guān)閉狀態(tài)。如果所需的功能沒(méi)有因?yàn)檫@些 X 中的任何一個(gè)而損壞，那么從低功耗的角度來(lái)看，該設(shè)計(jì)被認(rèn)為是合規(guī)的。

但是有些問(wèn)題無(wú)法使用此方法捕獲。如果置之不理，這些問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致芯片故障。讓我們?cè)敿?xì)討論其中的一些場(chǎng)景。

考慮一個(gè)設(shè)計(jì)，其中兩個(gè)模塊在兩個(gè)不同的電源（1.2V 和 3.3V）上工作。如圖 6 所示，從 1.2V 電壓域到 3.3V 電壓域的信號(hào)需要Level Shifter。該單元的目的是將電壓從低電平轉(zhuǎn)換為高電平。

圖6：1.2V →3.3V電壓域的Level Shifter

從邏輯功能上講，Level Shifter功能類似于BUFFER的功能（即輸出 = 輸入）。因此，如果某個(gè)地方缺少電平轉(zhuǎn)換器單元，仿真工具不會(huì)標(biāo)記任何錯(cuò)誤，但實(shí)際上它可能會(huì)導(dǎo)致短路電流，從而導(dǎo)致硅故障。

考慮具有兩個(gè)不同電源域的設(shè)計(jì)，如圖 7 所示：常開(kāi)域 PD_AO 和可切換電壓域PD_SW。

圖7：測(cè)試邏輯上的Isolation

在待機(jī)模式下，PD_SW 將關(guān)閉，但 PD_AO 將打開(kāi)。因此，從?可關(guān)斷電壓域到常開(kāi)電壓域的每個(gè)信號(hào)都需要Isolation cell。讓我們考慮一個(gè)觸發(fā)器（存在于可關(guān)斷電壓域中），其輸出連接到存在于常開(kāi)電壓域中的觸發(fā)器的掃描輸入引腳（通過(guò)一些緩沖區(qū)）。

如果此交叉點(diǎn)上缺少隔離單元，仿真工具將不會(huì)標(biāo)記任何錯(cuò)誤，因?yàn)樵诠δ苣M中不會(huì)檢查此類路徑。但由于關(guān)斷域不再驅(qū)動(dòng)它們的輸出，并且它們的輸出成為float point，交叉時(shí)意外的信號(hào)值可能會(huì)由于不合適的邏輯電平而導(dǎo)致高電流消耗，并可能導(dǎo)致硅故障。

對(duì)于數(shù)字仿真工具，所有power net都被視為相同的，而不管與該power net關(guān)聯(lián)的電壓水平如何。因此，如果在Analog block上進(jìn)行了一些錯(cuò)誤的電源連接，則可能無(wú)法使用仿真來(lái)捕獲它，并且可能導(dǎo)致硅故障。

http://mantravlsi.blogspot.com/2020/08/clp-low-power-check.html

https://www.design-reuse.com/articles/32170/a-need-for-static-dynamic-low-power-verification.html