[發明專利]閾值電壓器件的替換方法及裝置

有效

• 申請號: 201310109458.6
• 申請日: 2013-03-29
• 公開（公告）號: CN103226632A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 包翔元;楊梁;王昊
• 申請（專利權）人: 龍芯中科技術有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;張永明

技術領域

本發明涉及集成電路制造和設計領域，具體而言，涉及一種閾值電壓器件的替換方法及裝置。

背景技術

隨著集成電路工藝向超深亞微米和納米數量級方向的飛速發展，特別是當今移動設備和電池供電裝置大規模地推廣應用，使得功耗成為制約集成電路發展的一個重要因素。集成電路的功耗由兩部分構成：動態功耗和靜態功耗。而動態功耗主要是由電路狀態轉換功耗和短路功耗所組成。電路狀態轉換功耗是電路中驅動單元輸出節點發生狀態變化時對負載電容進行充放電所消耗的功率；短路功耗是電路中節點在翻轉過程中對標準單元內部節點電容充放電引起的P型晶體管和N型晶體管瞬間導通而產生的瞬時短路功耗；靜態功耗，即漏電功耗，是當邏輯門的狀態不發生翻轉時產生的，也就是當電路處于靜止狀態時產生的功耗。靜態功耗通過亞閾值泄漏功耗、柵氧隧穿泄漏電流和帶間隧穿泄漏電流等途徑產生。隨著集成電路所用到的庫單元溝道長度越來越短，柵氧厚度越來越薄，使得現有的漏電流越來越大，從而造成靜態功耗在集成電路的總功耗中所占比重越來越大，因此，對現有集成電路的靜態功耗的優化越來越受到人們的重視。

多閾值電壓器件替換的方法是目前工業界用來降低靜態功耗應用范圍最廣的方法。同一個器件特征標示（cell_footprint）的不同閾值電壓的器件的功能、形狀、大小及引腳的位置都是相同的，替換后不會改變設計所實現的功能、器件的布局及器件連線的布線。高閾值的晶體管的漏電電路比較小，但延遲時間比較大；低閾值的晶體管的漏電電路比較大，但延遲時間比較小。多閾值電壓器件替換的方法就是結合高閾值電壓器件和低閾值電壓器件的各自優點，在電路的時序關鍵路徑中使用低閾值的器件來提高集成電路的性能，在電路的時序非關鍵路徑中使用高閾值的器件來降低靜態功耗。

工藝、電壓和溫度是影響電路性能的三個基本因素，但是不可能窮盡其所有組合來分析電路行為。相關技術中，在簽核（signoff）階段通常采用抽樣分析的方法，考慮這三者的極端情況組合，以保證設計在整個組合空間中都能正常工作。

在進入納米工藝之后，上述抽樣分析方法遭遇了極大的挑戰，最主要的問題在于采樣點數目急劇膨脹。由于隨著晶體管尺寸的不斷變小，時序路徑延遲由之前的器件延遲占主導地位變為由線延遲占主導地位。計算線延遲時，電阻電容的提取方式對靜態時序分析非常重要。現代數字電路要保證能在各種極端環境下正常工作，而且在各種環境下的頻率要求不盡相同，因此物理設計中考慮工作電壓溫度要比以前多很多。為了滿足數字電路高性能要求的同時也要考慮低功耗，因此數字電路存在著多個工作模式，例如：在正常工作模式下數字電路運行在比較高的頻率下，這時數字電路功耗比較大，當數字電路處于休眠模式時，數字電路運行在比較低的頻率下，這時數字電路功耗比較低。可以將數字電路以某種工作模式運行在某個工藝角下定義為數字電路的一種時序分析模式（scenario）。當數字電路有m1種工作電壓、m2種工作溫度、m3種提取電容電阻的模式、m4種工作模式時，數字電路總的scenario數量就有m1*m2*m3*m4種。隨著工藝逐步改進，為了保證數字電路時序分析的精度，工作電壓種類、工作溫度種類、電阻電容提取模式種類、數字電路工作模式種類都會發生增長，數字電路的時序分析模式會呈指數級增長的趨勢。因此，如何在多工藝角多模式下在不降低集成電路的性能的前提下快速地獲取可以替換為高閾值器件的器件來降低靜態功耗對設計者而言是一個巨大的挑戰。

下面對相關技術中幾種主要的降低大規模集成電路靜態功耗的技術方案進行介紹。

技術方案一、該發明首先將所有的器件均替換為低閾值電壓的器件，其次計算每個邏輯塊的延遲時間t1和靜態功耗p1，再次計算替換為相應的高閾值器件后的延遲時間t2和靜態功耗p2，從而得到△t=t2-t1，△p=p1-p2，然后在判斷T（slack）-△t是否大于0，如果是，則該器件可以替換為高閾值電壓的器件。

該技術方案存在以下幾點缺陷：

（1）該發明沒有考慮到多工藝角多模式情況下如何降低靜態功耗的情況；

（2）該發明僅考慮了兩種電壓閾值的情況，而隨著工藝的發展，器件的電壓閾值越來越多，電壓閾值的增多會使得該發明的技術方案效率較低；

（3）該發明要計算每一個邏輯塊的延遲時間和靜態功耗，特別是在多工藝角多模式下，需要耗費大量的時間；

（4）該發明在選擇器件替換為高閾值電壓器件時，只是考慮到是否違反建立時間松弛的問題，而沒有考慮到替換哪個器件能夠高效地降低靜態功耗。