芯片設計—低功耗isolation cell

(一)低功耗isolation cell的目的

低功耗架構設計需要前后端拉通規劃,前端設計有PMU功耗管理單元,比如A模塊電壓常開,B模塊電壓可關斷,那么請思考,當B模塊關斷電壓后,B模塊輸出到A模塊的信號是怎樣的驅動力?會造成什么結果?

后果1:

假如電源的工作電源為1.2V,當B模塊關斷電壓后,B模塊輸出到A模塊的信號(X態)可能為0~1.2V中任意電壓,如果X處在中間電平0.6V,若這個信號送給電壓常開域中的一個反相器,就會導致這個反相器的PMOS和NMOS都導通,就會存在一個短路電流從電源流經PMOS、NMOS再到地,造成功耗浪費。

后果2:

假如電源的工作電源為0~1.2V,那么X態信號可能隨著溫度、電壓等環境因素改變而震蕩,導致常開電壓模塊的邏輯功能出現不可預知的錯誤,甚至引起系統宕機,造成芯片功能的不可靠,芯片上到汽車、飛機上去后,不堪設想。

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?因此,當A模塊電壓常開,B模塊電壓可關斷,在B模塊關斷電壓后,B模塊輸出到A模塊的信號需要用isolation cell進行電壓鉗位(clamp 0或者clamp 1信號),這樣就避免了X態的傳播。

也就是說Isolation cell連接的兩端分別是power gated domian和always_on_domain,Isolation_cell的作用就是將power gated domian輸出到always on domain的信號隔離,以防止power gated domian電源關閉后輸入到always on domian的信號出現不確定狀態(如X態等)。

(二)低功耗isolation cell的類型

isolation cell一般有sink side、source side兩種類型。

什么是sink side?

即isolation cell放置于常開電壓域PD_ON,只需要一組電源,推薦使用這種類型,較為簡潔。

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什么是source side?

即isolation cell放置在power gated?domain(PD_SHUT)里面,但是需要接常開電源(VDDG)供電,保證power?gated?domain(PD_SHUT)的電壓關閉后,isolation仍能輸出clamp值。這種情況下,isolation cell一般得有兩組電源,分別是primary power(VDD)和?backup power(VDDG),當VDD關斷后,VDDG就供電,否則isolation誰來供電輸出clamp值呢。

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isolation cell的結構(下圖為source side isolation類型):

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(三)低功耗isolation cell的結構

上面介紹了模塊電壓關閉之后,其輸出需要isolation cell進行鉗位的原因,以及isolation cell的兩種類型及兩組電源的需求,通常isolation cell和Level Shifter一起連用,AND和OR門都可以組成一個isolation cell;

1. AND類型:輸出iso成0;

2. OR類型:輸出iso成1;

首先看AND類型,EN有效時(置0),輸出Y(isolation)=0,請思考下圖的類型是source類型還是sink類型?

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展開與門電路結構如下圖右邊部分,請思考,下圖Y輸出是否和上圖一致?ISO_EN是高有效還是低有效?想通了就很有趣!

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isolation實現clampe_0功能

然后我們看OR或門類型:ENB有效,Y就被鉗位為1。

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或門展開電路如下圖右邊部分,請思考下圖ISO_EN是1有效嗎?管子是如何工作才能鉗位輸出?鉗位輸出是1嗎?是不是很有趣!

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綜上,通常Isolation cell和Level Shifter一起連用,AND和OR門都可以組成一個isolation cell。Isolation可以放在input端,output端或者第三方Voltage Area中,但是考慮到power-on rail的走線,isolation cell自身的功耗,一般還是放在input端比較好,因為放在input端不需要always-on的power。

(四)低功耗isolation cell的UPF語法

set_isolation ISO0_PD_SHUT?指定isolation cell的添加rule,相當于前綴名稱

-domain PD_SHUT?指定添加isolation cell的voltage area

-applies_to?input?指定isolation cell在voltage area的input還是output

-diff_supply_only true?指定cell port上是否允許有其他supply

-loacation parent?指定isolation的放置位置,parent代表放在driver pin的父module

-isolation_signal?PMU/iso_en?指定isolation cell的isolation 控制信號

-calmp_value 1?指定isolation cell的輸出值

景芯微SoC團隊業務

景芯微SoC團隊業務介紹:

  • 提供SoC、MCU、ISP、CIS等芯片設計服務

  • 提供芯片設計、驗證、DFT、后端全流程設計服務

  • 提供后端設計工藝包括7nm、12nm、28nm、40nm、55nm、65nm、90nm、110nm、180nm等節點,提供極具性價比的投片渠道

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【全網唯一】景芯SoC是一款用于【芯片全流程培訓】的低功耗ISP圖像處理SoC,采用低功耗RISC-V處理器,內置ITCM SRAM、DTCM SRAM,集成包括MIPI、ISP、USB、QSPI、UART、I2C、GPIO、以太網MAC控制器等IP,采用SMIC40工藝設計流片。

  1. CPU: RISC-V

  2. ITCM: 64KB

  3. DTCM: 64KB

  4. 外設:MIPI/USB/HDMI/UART/I2C/QSPI

  5. 系統時鐘:100MHz

  6. MIPI RX解碼

  7. ISP圖像處理

  8. HDMI接口

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(一)SoC前端課程,您將學會

  • 高速接口的Verilog設計實現

  • 圖像算法及Verilog設計實現

  • MIPI通信協議的Verilog實現

  • Lint、CDC檢查及UVM驗證

  • 后仿真

僅前端一門課程內容就抵得上其他培訓機構的5-6門課程。

(二)SoC中端課程,您將學會

  • DFT設計(芯片級)

  • Synthesis邏輯綜合(芯片級)

  • 低功耗UPF設計、CLP技術

  • formal驗證等技術

僅中端一門課程內容就抵得上其他培訓機構的4-5門課程。

(三)SoC后端課程,您將學會

  • 布局布線(低功耗FF flow)

  • StarRC/QRC

  • STA/Tempus

  • 功耗分析

  • DRC/LVS設計

僅后端一門課程內容就抵得上其他培訓機構的3-4門課程。

課程提供服務器供大家實踐!帶你從算法、前端、DFT到后端全流程參與SoC項目設計。更多內容,請聯系號主報名,登錄服務器實踐,工程數據分割為如下三個部分。

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圖像處理的數據通路:

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景芯SoC的CRG設計:

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一鍵式完成C代碼編譯、仿真、綜合、DFT插入、形式驗證、布局布線、寄生參數抽取、STA分析、DRC/LVS、后仿真、形式驗證、功耗分析等全流程。升級后的芯片設計工程V2.0 flow如下:

SoC一鍵式執行flow

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MIPI DPHY+CSI2解碼

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數字電路中經典設計:多條通信數據Lane Merging設計實現

數字電路中經典設計:多條通信數據Lane Distribution實現

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UPF低功耗設計

全芯片UPF低功耗設計(含DFT設計)

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低功耗設計前,功耗為28.75W

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低功耗設計后,休眠時,功耗為21.45mW,降低7mW

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芯片的版圖設計V1.0

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芯片的版圖設計V2.0

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低功耗設計的DRC/LVS,芯片頂層的LVS非常具有挑戰性!業界獨一無二的經驗分享。

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ISP圖像處理

  • ? ?dpc - 壞點校正

  • ? ?blc - 黑電平校正?

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  • ? ?bnr - 拜耳降噪

  • ? ?dgain - 數字增益?

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  • ? ?demosaic - 去馬賽克

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  • ? ?wb - 白平衡增益?

  • ? ?ccm - 色彩校正矩陣?

  • ? ?csc - 色彩空間轉換 (基于整數優化的RGB2YUV轉換公式)

  • ? ?gamma - Gamma校正 (對亮度基于查表的Gamma校正)

  • ? ?ee - 邊緣增強

  • ? ?stat_ae - 自動曝光統計?

  • ? ?stat_awb - 自動白平衡統計

CNN圖像識別

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支持手寫數字的AI識別:

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仿真結果:仿真識別上圖7、2、1、0、4、1、4、9

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前端設計目錄

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中端設計目錄

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后端設計目錄

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