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Signoff_opt Leakage Power Recovery


刘 哲 黄 涛 李嘉树 陈晓东JaredLau@hisilicon.com

海思半导体技术有限公司

HiSilicon Semiconductor Co.,Ltd.

摘要

随着半导体工艺的进步,从90nm演进到22nm,功耗问题日趋严重,尤其是当工艺节点下降,阈值电压不断下降,漏电功耗成为 大家重点关注的问题。在降低漏电功耗方面,使用更高Vt的器件已经被证明是一种十分有效的技术。本文将介绍一种新的方式, 通过在ICC中,调用PrimeTime,在保证signoff timing/DRC不恶化的情况下,最大限度的优化功耗,并将给出数据以展示这种方 式所带来的功耗优化效果。

Abstract

As one moves from 90nm to 22nm node, gate and threshold voltages are steadily decreasing, resulting in leaky behavior. This is shown in the increase in static (leakage) power as one moves to lower geometries. As we all know, increase Vt has been proven to be an effective technique to reduce leakage power. This paper will describe a new leakage optimization engine in IC Compiler that uses PrimeTime generated slack numbers to deliver maximum leakage savings while preserving signoff timing/ DRC and show the results then you can find how much reduction we achieved by using this new feature.

1. Introduction

随着半导体工艺的进步,从90nm演进到65nm,乃至40nm、28nm,功耗问题日趋严重,尤其是当工艺节点下降,漏电功耗先芯 片功耗中所占的比例不断增大,先已成为业界重点关注的问题。

Leakage Power 主要可以分为以下几个部分
● Sub-threshold Leakage (ISUB)
● Gate Oxide Tunneling Leakage (IGATE)
● Gate Induced Drain Leakage (IGIDL) ↓VDG
● Reverse Bias Junction Leakage (IREV)
● Punch-Through Leakage
ISUB是其中重要的一部分,而它与阈值电压有紧密的关系。

因此,在设计中,采用多种阈值电压的单元库,可以同时满足芯片对时序和功耗的要求,这已成为芯片设计中控制功耗的一种很 有效的方法。本文将介绍一种新的方式,通过在ICC中,采用signoff_opt命令,调用PrimeTime,在保证signoff timing/DRC不恶 化的情况下,对满足时序要求的路径进行进一步的功耗优化,最大限度的降低功耗,并将给出数据以展示这种方式所带来的功耗 优化效果。

2. Sign-Off Driven Design Closure Overview

Signoff_opt作为Sign-Off Driven Design Closure的一部分,主要目的是为了在signoff阶段,reduce violation时,防止 implementation engine (IC Compiler) 和 sign-off engine (StarRC and PrimeTime)之间的不匹配引入新的violation。In this flow, IC Compiler 会自动调用 sign-off tools (PrimeTime and StarRC)得到violation,自动进行修复或者手动修复。
用户只需要设定StarRC 和PrimeTime的设置,ICC会自动调用StarRC抽取SPEF,然后自动调用Primetime,读取SPEF,分析 Timing,返回给ICC进行ECO操作,一切Timing以Primetime为准,同时寄生参数以StarRC为准,因此达到了很好的Correlation。 需要注意的是 ICC可以直接读取单独run PrimeTime得到的session,这样可以节约时间,同时减少占用的内存。
Signoff_opt –only_power_recovery具备以下特点:
● 通过替换不同的Vth的cell去优化漏电功率,并达到保持了设计现有的时序和布线
● 建议使用在或接近signoff阶段,时序违规的数量越少优化的空间越多
● 支持MCMM和PTSI DMSA技术来进一步降低运行时所需的时间

2.1 输入条件

Signoff_opt 的使用对输入的文件有如下的要求:
● 没有routing shorts
● routing DRC 的数量必须小于net总数的千份之一或小于一千条
● unrouted nets的数量必须小于net总数的千份之一或小于一千条
● logical DRC 的数量必须小于net总数的千份之一或小于一千条
● 时序违规的数量必须小于一千条

2.2 Sign-Off Driven Design Closure Methodology

1. 对PrimeTime和StarRC工具作出设置
2. 运行signoff_opt命令

对于脚本配置说明如下: set_power_options –leakage true ;#设置leakagepower优化选项
set_starrcxt_options
-exec_dir
Specifies the UNIX path to the StarRC executable StarXtract
-map_file
Specifies the StarRC layer mapping file
-min_nxtgrd_file
Specifies the StarRC technology file (nxtgrd) for max corner
-max_nxtgrd_file
Specifies the StarRC technology file (nxtgrd) for min corner
-mode
Specifies extraction mode used by StarRC. Default is 200.
-num_part
Specifies the extraction mode used by StarRC
-option_file
Specifies an option file that is used by StarRC
-max_image $rc_path/max_image
-min_image $rc_path/min_image *

Set_primetime_options \
-exec_dir /software/synopsys/ primetime/2010.06sp1/amd64/syn/bin *
-sdc_file $pt_path/golden.sdc
-max_image $pt_path/session/max_image
-min_image $pt_path/session/min_image #

Signoff_opt \
-only_power_recovery
Performs Leakage Power optimization only
-only_psyn
Performs optimization only ,no incremental signoff
-keep_license
Keep license while other tools are running

3. Signoff_opt 使用结果及分析

采用signoff_opt进行power 优化,ICC首先采用signoff工具(StarRC and PrimeTime)分析整个设计,然后找出出满足时序要求 的路径,之后对于这些路径进行功耗优化。优化的过程中保证时序满足设计要求,同时又最大限度对这些时序路径上的cell进行 替换,优化Leakage power。替换的原则是按照timing lib 中的attribute footprint。由于时序分析采用了sign-off engine,因此在 满足时序的要求下,准确的找到了可以优化功耗的路径,从而最大限度的降低了功耗。同时,避免了implementation engine (IC Compiler) 在功耗优化中造成的时序违反。
下表总结了五个模块的评价结果:

4. 结论及建议

● 综上所述,可以看到,signoff_opt 技术对 leakage power 的优化可以起到很好效果,并且对timing和DRC错误产生较小的影响。与常规流程集成度较好,可以很好的应用到现有流程中。建议在最终signoff阶段使用,可以有效优化leakage power。
● 同时希望能够增强对库单元的物理检查,减少新引入的DRC错误,同时优化对硬件的要求,采用StarRCXT/PTSI saved sessions现在是一种有效的方法,希望未来能提高更高性能的优化。

5. 致谢

在本文的最后,我谨代表个人感谢海思后端的同事,感谢我们整个团队,同时,感谢Synopsys及时对我们提供技术支持,感谢Kevin,Natarajan ,Kenny给与的支持和帮助。

6. 参考文献

(1) ICC User Guide
(2) Synopsys signoff_opt leakage power recovery application note