摘要

在現今低功耗的時代，「續航力」往往是各大公司產品競爭力的一大重點，因此IC設計公司將省電設計視為開發重點，在眾多方法中，降低操作電壓是最優先考慮的方法之一，針對此需求，M31提出低電壓標準組件庫操作設計方案，能確保標準組件在低壓條件下能正常操作。

低電壓標準組件庫設計之挑戰

當操作電壓降低時，制程變異量(process variation)增大，標準組件庫在設計時，面臨以下兩大挑戰:

電路內部訊號變異量(Internal signal variation)

當操作電壓降低時，電路內部訊號變異量增大，進而產生誤動作，以往為了解決此問題，低電壓的驗證仰賴蒙地卡羅(Monte-Carlo)模擬以及硅后(post-silicon)的量測，然而蒙地卡羅的模擬驗證，必須達到一定的采樣數量(sampling number)，才能確認是否能達到預定的西格馬(sigma)值，采樣數量不足將導致硅后量測的結果與模擬不一致，易造成開發時程冗長且耗時。

模塊精準度(Modeling accuracy)

標準電壓操作下，在輸入轉換(input slew)訊號線性遞增時，電路的延遲時間(delay time)也會呈線性遞增，模塊只需提供幾個固定轉換(slew)訊號的電路延遲時間，靜態時序分析(Static timing analysis, STA)，就能透過內差公式計算出不同轉換訊號的電路延遲時間，然而操作電壓下降時，電路的延遲時間將呈現非線性遞增的狀態，此時內差公式計算的延遲時間值，跟實際的值產生落差，導致使用者無法使用精確的延遲時間驗證。

低電壓標準組件庫電路設計及辦法

縮短蒙地卡羅的模擬驗證時間

M31導入快速蒙地卡羅模擬工具，并且針對不同電路，制定設計標準(criteria)，在蒙地卡羅的驗證下，定義變異系數σ/μ必須小于10%，確保內部訊號變化量不會超出10%，提升開發效率以及電路在低電壓操作下的穩定性。

電路的關建路徑不采用組件最小寬度(device min. width)

組件(device)的寬度(width)越小，制程變異量越大，因此低電壓操作的標準組件庫電路，在關鍵的傳遞路徑(criticalpath)將不采用最小寬度的組件，確保內部訊號的變異量能維持較為理想的狀態。

采用多指組件(Multi-fingerdevice)

操作在低電壓時，制程變異量增大，如果采用多指組件時，能將變異量分散到各個組件，此時單指組件的最差變異量(worstvariation)，不會發生在多指組件中，進而減低制程變異量，如圖1。

圖1單指/多指組件

采用堆棧閘(stack gate)正反器

傳統傳輸閘正反器(transmission gate, TG)，由兩組栓鎖器(latch)所組成，當頻率訊號正源觸發時，由于操作電壓降低，導致頻率訊號轉換(transition)時間拉長，兩組栓鎖器同時打開，內部節點對抗(fighting)時間拉長，并且由于電壓降低，第1組栓鎖器儲存的訊號1電壓較低，在對抗期間，第2組栓鎖器的訊號0會寫回去第1組栓鎖器，造成電路誤動作，如圖2所示。

為了解決以上問題，M31在低電壓設計中，采用堆棧閘正反器，將傳輸閘更改為堆棧閘，當頻率訊號正源觸發時，由于采用堆棧式架構，第2組栓鎖器的內部節點沒有路徑可以寫回第2組栓鎖器，故堆棧閘正反器相較于傳統傳輸閘正反器，操作電壓較低。

圖2傳統傳輸閘正反器低電壓操作波形

模塊精準度

M31提供標準組件庫的漏電(leakage)、延遲時間(delaytime)、功率(power)….等模塊，描述電路特性，以利用戶進行靜態時序分析(StaticTimingAnalysis,STA)，針對延遲時間，模塊會提供不同轉換(slew)的輸入訊號(e.g. 7個點)的延遲時間，STA會利用內差公式，計算出不同轉換輸入訊號的電路延遲時間，在標準電壓操作下，延遲時間會根據不同的轉換輸入訊呈線性遞增，然而當操作在低電壓時，延遲時間已不在是線性遞增，此時將導致內差公式得出的值，偏離實際值，如圖3所示。

圖3不同轉換(slew)的電路延遲時間

為了解決以上問題，M31在不同轉換輸入訊號點與點之間的范圍(range)，利用相關性(correlate)公式，式1，將線性內差公式得出的值與實際值進行比對，越接近1代表關聯性越高，模塊越精確，當小于0.9時，M31會在此范圍多提供1組轉換輸入訊號的電路延遲時間在模塊里，進而提升模塊的精準度，如表1所示。

…………………………………………………………………...式1

表1相關性(correlate)改善結果

總結

相對于標準電壓，低電壓標準組件庫的設計，面臨了制程變異以及模塊的精準度等挑戰，皆是設計者必須進一步考慮要點。M31提出了縮短開發時程、組件/電路低電壓操作改善方法以及提升低電模塊精準度方案，能提供具競爭力的低電壓標準組件庫。