面向超寬電壓的在線監(jiān)測單元及監(jiān)測窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計低功耗技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于在線時序監(jiān)測的自適應(yīng)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路(IC)工藝尺寸逐漸縮小，芯片單位面積上的功耗也逐步上升，功耗成為IC設(shè)計中除了性能、面積外必須考慮的重要因素。近些年，寬電壓電路(工作范圍涵蓋近閾值到常規(guī)電壓區(qū))設(shè)計被提出，可以根據(jù)實際性能需求寬范圍地動態(tài)調(diào)節(jié)電壓，以最大化節(jié)省功耗。
[0003]另一方面，隨著工藝越來越先進，工藝、電壓、溫度(Process-Voltage-Temperature, PVT)等偏差對IC設(shè)計的影響越來越大。芯片工作時必須考慮PVT偏差對電路時序的不利影響，以保證其能在最壞情況(worst-case)下正常工作，“最壞情況”是指對電路時序造成負面影響的各種不利因素同時出現(xiàn)的情況。在數(shù)字IC設(shè)計中，PVT偏差等因素對電路的影響都可歸結(jié)為路徑延時的變化。
[0004]為了應(yīng)對不確定的PVT偏差對電路性能的影響，傳統(tǒng)電路設(shè)計中會留出一定的電壓余量。然而，造成最壞情況的種種不利因素在實際情況中卻很少甚至不會同時發(fā)生，這就使所設(shè)定的工作電壓過于保守。在線時序監(jiān)測技術(shù)通過在電路中加入片上時序監(jiān)測單元，實時監(jiān)測PVT偏差對關(guān)鍵路徑時序的影響，并根據(jù)監(jiān)測的信息自適應(yīng)地調(diào)節(jié)工作電壓，可以降低甚至消除電壓余量，從而最大限度地降低功耗。在線時序監(jiān)測技術(shù)主要可以分為出錯改錯型和時序預(yù)測型兩類。其中，時序錯誤預(yù)測型監(jiān)測單元由于不需要額外增加系統(tǒng)級的恢復(fù)機制而具有優(yōu)勢，它通過在關(guān)鍵的數(shù)據(jù)路徑上人為的添加額外的延遲，來預(yù)測電路可能的時序緊張，從而可以提前進行電壓、頻率調(diào)節(jié)，防止真正出錯。
[0005]在面向超寬電壓范圍調(diào)節(jié)時，由于低電壓下電路延時變化受到各種偏差的影響更大，普通的監(jiān)測單元通常具有固定的結(jié)構(gòu)，其監(jiān)測窗口在低電壓下存在無法覆蓋住偏差的問題，從而使監(jiān)測單元無法完成既定的監(jiān)測任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:針對上述寬電壓集成電路的基于在線時序監(jiān)測的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)所存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種超寬電壓下能夠有效監(jiān)測電路時序的監(jiān)測單元，其監(jiān)測窗口的大小可以根據(jù)工作電壓范圍及PVT情況自適應(yīng)的調(diào)節(jié)，為此本發(fā)明還提供了一種具備自適應(yīng)調(diào)整功能的監(jiān)測窗口調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[0007]技術(shù)方案
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明設(shè)計了一種面向超寬電壓的在線監(jiān)測單元及其監(jiān)測窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該在線監(jiān)測單元在傳統(tǒng)監(jiān)測單元的基礎(chǔ)上增加了延時大小可調(diào)的延時單元，其調(diào)節(jié)由監(jiān)測窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)。
[0008]所述在線監(jiān)測單元由一個主觸發(fā)器、一個影子鎖存器、一個異或門以及一個延時單元組成。在線監(jiān)測單元的輸入信號連接到主觸發(fā)器的輸入端以及延時單元的輸入端，主觸發(fā)器的輸出端連接到異或門的第一輸入端口，延時單元的輸出端連接到影子鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端，影子鎖存器的輸出端連接到異或門的第二輸入端口，異或門的輸出端為該在線監(jiān)測單元輸出的錯誤預(yù)測信號。
[0009]當輸入信號到達時間較晚，接近下一個時鐘周期的上升沿時，影子鎖存器由于被延時單元延遲一段時間Tw而輸出不同于主觸發(fā)器的信號，此時在線監(jiān)測單元輸出的錯誤預(yù)測信號為高電平。
[0010]延時單元由可配延時鏈組成，其延時時間即為監(jiān)測窗口時間Tw，可根據(jù)超寬電壓下不同工作環(huán)境的需求配置監(jiān)測窗口的大小。監(jiān)測窗口大小的調(diào)節(jié)通過配置可配延時鏈的控制位完成，可配延時鏈由若干緩沖器單元和多路選擇器單元組成，通過配置多路選擇器Mux的控制位的值來使輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過不同數(shù)量的緩沖器，產(chǎn)生不同大小的延時時間。
[0011]監(jiān)測窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)則主要包括三部分:片上PVT檢測單元(PVTM)、可配延時鏈和調(diào)節(jié)譯碼器。片上PVT檢測單元實時檢測當前PVT情況，檢測信息經(jīng)過計數(shù)器采樣后得到PVTM計數(shù)器值Count信號，輸出到調(diào)節(jié)譯碼器中；調(diào)節(jié)譯碼器生成控制可配延時鏈延時的控制信號，連接到可配延時鏈中的多路選擇器(Mux)的控制端口，完成延時大小的自動配置。調(diào)節(jié)譯碼器的作用是將PVT檢測單元輸出的計數(shù)器值轉(zhuǎn)變?yōu)榭膳溲訒r鏈中Mux的控制信號，其構(gòu)成是一個查找表，輸入的檢索變量是PVTM的Count值，輸出的結(jié)果是Mux配置值。
[0012]監(jiān)測窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的片上PVT檢測單元包括三部分:控制電路、由反相器組成的環(huán)形振蕩器和計數(shù)采樣單元?？刂齐娐返淖饔檬钱a(chǎn)生其他模塊所需要的控制信號，包括環(huán)形振蕩器的起振信號，計數(shù)器的使能信號，計數(shù)器的復(fù)位信號和計數(shù)結(jié)果的采樣時鐘。
[0013]監(jiān)測窗口調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的環(huán)形振蕩器的周期直接反映片上PVT的影響，由N (N>=2，偶數(shù))個反相器和I個與非門首尾相連組成，與非門的作用是為了起振，與非門的第一輸入端連接第N個反相器的輸出端，第二輸入端連接到控制電路輸出的起振信號端。
[0014]計數(shù)采樣單元由計數(shù)器和采樣單元組成，計數(shù)器的目的是采樣環(huán)形振蕩器的振蕩周期，計數(shù)器的時鐘端連接到環(huán)形振蕩器的輸出端，計數(shù)器的輸出端送入采樣單元的輸入端。采樣單元在采樣時鐘的觸發(fā)沿對計數(shù)器的結(jié)果進行采樣，輸出Count信號，此時環(huán)形振蕩器停止振蕩，當系統(tǒng)完成計數(shù)器采樣時對計數(shù)器進行復(fù)位，重新開始下一輪的計數(shù)和采樣。
[0015]調(diào)節(jié)譯碼器的查找表是通過對可配延時鏈和片上PVT檢測單元計數(shù)器的標定來建立，標定過程有如下步驟:
第一步:仿真測量在各種PVT環(huán)境下PVTM計數(shù)器的輸出值，得到PVT環(huán)境與PVTM計數(shù)器值的對應(yīng)表；
第二步:仿真測量各種PVT環(huán)境下所需要的最優(yōu)化監(jiān)測窗口大小，推算出可配延時鏈所需最接近的緩沖器級數(shù)，并相應(yīng)的算出此時Mux的控制位，從而得到PVT環(huán)境與Mux的控制位的對應(yīng)表；
第三步:將上述兩張表融合在一起，得到各個PVTM計數(shù)器值所對應(yīng)的監(jiān)測窗口可配延時鏈的Mux控制位值，即為調(diào)節(jié)譯碼器中的查找表。
[0016]有益效果:本發(fā)明的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)能根據(jù)在線時序監(jiān)測單元監(jiān)測PVT偏差對時序的影響來調(diào)節(jié)電路工作電壓，當時序?qū)捤蓵r可以降低電壓，因此能夠有效降低傳統(tǒng)集成電路設(shè)計中預(yù)留的時序余量，從而降低電路功耗。在面向超寬電壓工作范圍時，由于低電壓下延時變化受到各種偏差的影響更大，本發(fā)明克服了普通的監(jiān)測單元面臨的無法覆蓋住偏差的問題，可根據(jù)不同工作電壓及PVT下的變化的需求對監(jiān)測窗口大小進行調(diào)節(jié)，以便準確捕捉電路時序違規(guī)情況，盡可能實現(xiàn)時序余量的最小化，從而保證有較高的功耗收益。
【附圖說明】
[0017]圖1為監(jiān)測單元結(jié)構(gòu)圖
圖2為監(jiān)測窗口 Tw自動調(diào)節(jié)電路圖3為片上PVT檢測單元結(jié)構(gòu)圖圖4常規(guī)電壓下芯片自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)效果圖5低電壓下芯片自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)效果
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合【附圖說明】對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施例。
[0019]如圖1所示，超寬電壓下工作的監(jiān)測窗口大小可配的在線監(jiān)測單元主要包括:一個主觸發(fā)器，一個影子鎖存器，一個異或門以及可配延時鏈四個部分。當輸入信號到達時間較晚，接近下一個時鐘周期的上升沿時，電路的時序比較緊張，與此同時，影子鎖存器由于經(jīng)過可配延時鏈而延遲一段時間Tw，因而輸出不同于主觸發(fā)器的信號，異或門通過對比觸發(fā)器和影子鎖存器的輸出結(jié)果，會輸出高電平，此時在線監(jiān)測單元輸出的錯誤預(yù)測信號為高電平。
[0020]由于低電壓下延時變化受到PVT偏差影響更大，因此不同環(huán)境下所需要的監(jiān)測窗口大小也不同。為了實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計，監(jiān)測窗口需要根據(jù)當前的PVT環(huán)境自動配置。如圖2所示，監(jiān)測窗口自動調(diào)節(jié)電路主要包括三部分:片上PVT檢測單元、調(diào)節(jié)譯碼器、可配延時鏈。片上PVT檢測單元主要是檢測當前PVT情況，并將檢測信息輸出到調(diào)節(jié)譯碼器中，譯碼成可以直接控制配置延時的控制信號，而可配延時鏈可以完成延時大小的自動配置，從而實現(xiàn)監(jiān)測窗口大小的最優(yōu)化設(shè)計。
[0021]圖2中所示的可配延時鏈是由緩沖器(buffer)單元和選擇器單元(Mux)組成，其中buffer單元的作用是產(chǎn)生延時，而Mux單元是完成延時值的可配功能。當選擇器的配置值不同時，數(shù)據(jù)經(jīng)過的buffer數(shù)目不同，因此產(chǎn)生的延時也不同。Mux本身也具有延時值，因此在設(shè)計過程中需要考慮Mux的延時值，而且buffer選型需要根據(jù)調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)范圍來選。此外，可配延時鏈的配置值也可以通過外圍模塊強行賦值(例如CPU配置，或PAD 口配置)，這樣可以保證自適應(yīng)窗口計算仿真分析存在誤差時，用戶也可以手動修改配置值來調(diào)整監(jiān)測窗口大小。
[0022]調(diào)節(jié)譯碼器本質(zhì)上是一個查找表(Look-Up Table，LUT)，輸入的檢索(index)變量是片上PVT檢測單元輸出的計數(shù)器的值，輸出結(jié)果是MUX的配置值。調(diào)節(jié)譯碼器的查找表是通過對可配延時鏈和PVT檢測