基于在線監(jiān)測(cè)的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)路徑篩選方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及集成電路設(shè)計(jì)低功耗技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于在線時(shí)序監(jiān)測(cè)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] 近些年，寬電壓（Widevoltagerange)集成電路得到了廣泛關(guān)注，它通常涵蓋近 /亞闊值區(qū)至常規(guī)電壓區(qū)，可W在寬電壓范圍內(nèi)進(jìn)行供電電壓調(diào)節(jié)，W便在滿足忍片不同負(fù) 載下的高性能或高能效需求。由于PVT(Process,Voltage,Temperature)偏差的存在，集成 電路設(shè)計(jì)中需要預(yù)留一定的時(shí)序余量W滿足最壞情況下的時(shí)序約束，造成了性能和功耗浪 費(fèi)。片上時(shí)序監(jiān)測(cè)技術(shù)通過在電路中安插片上時(shí)序監(jiān)測(cè)單元，將PVT偏差對(duì)于電路影響轉(zhuǎn) 化成電路中關(guān)鍵路徑延時(shí)的變化，從而可W結(jié)合一定的控制電路根據(jù)監(jiān)測(cè)單元的監(jiān)測(cè)信息 進(jìn)行電壓和頻率的調(diào)節(jié)?？蒞分為出錯(cuò)改錯(cuò)型和時(shí)序預(yù)測(cè)型兩類。時(shí)序錯(cuò)誤預(yù)測(cè)型監(jiān)測(cè)單 元由于不需要系統(tǒng)級(jí)的恢復(fù)機(jī)制而具有優(yōu)勢(shì)，其典型代表是CanaryFlip-flop和肥PP電 路。
[0003] 為了保證數(shù)字電路正常工作，必須保證所有的關(guān)鍵路徑在單時(shí)鐘周期內(nèi)工作正 確。路徑延時(shí)可通過靜態(tài)時(shí)序分析（StaticTimingAnalysis,STA)得到，但若全部予W 監(jiān)測(cè)則實(shí)現(xiàn)代價(jià)過高，通常監(jiān)測(cè)延時(shí)較長(zhǎng)的一部分關(guān)鍵路徑，但具體取多少關(guān)鍵路徑作為 監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為簡(jiǎn)單設(shè)定，尚未有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治?。運(yùn)種方法過于簡(jiǎn)單，往往導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路 徑過多，使得實(shí)現(xiàn)代價(jià)提高，并引來監(jiān)測(cè)單元本身的額外功耗，因此無(wú)法充分發(fā)揮低功耗優(yōu) 勢(shì)。
[0004] 運(yùn)個(gè)問題在近闊值電壓下更嚴(yán)重，電壓下降時(shí)不僅延時(shí)的均值y和方差6均成 倍增加，3 6 /y值也顯著增加，運(yùn)使得關(guān)鍵路徑延時(shí)的波動(dòng)更嚴(yán)重，由于其不可預(yù)測(cè)性，為 了不造成漏判，通常需要監(jiān)測(cè)數(shù)量更多的路徑。例如近闊值肥PP電路監(jiān)測(cè)了前70%最長(zhǎng)的 關(guān)鍵路徑，遠(yuǎn)大于常壓區(qū)常用的10%~30%，致使面積、功耗代價(jià)成倍增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對(duì)上述寬電壓電路的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明的目 的是提供一種基于在線時(shí)序監(jiān)測(cè)的寬電壓自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)及關(guān)鍵路徑篩選方法，通過 在線監(jiān)測(cè)電路的時(shí)序情況調(diào)節(jié)電壓和頻率，W降低功耗。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 一種基于在線時(shí)序監(jiān)測(cè)的寬電壓自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括被監(jiān)測(cè)主電路、監(jiān)測(cè) 單元、監(jiān)測(cè)路徑、電壓頻率調(diào)節(jié)模塊和電源模塊，其中監(jiān)測(cè)單元位于監(jiān)測(cè)路徑的末端，用來 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PVT偏差對(duì)時(shí)序的影響，并在電路時(shí)序緊張即將出錯(cuò)時(shí)給出錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)；監(jiān)測(cè) 路徑是被監(jiān)測(cè)主電路中時(shí)序最為關(guān)鍵的路徑集合；電壓頻率調(diào)節(jié)模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)單元的實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別控制電源模塊調(diào)節(jié)被監(jiān)測(cè)主電路的工作電壓，W及控制鎖相環(huán)調(diào)節(jié)被監(jiān)測(cè) 主電路的工作頻率，其特征在于所述監(jiān)測(cè)路徑由多組在大量隨機(jī)輸入向量下被激活的延 時(shí)大于對(duì)應(yīng)組篩選闊值的關(guān)鍵路徑集合合并產(chǎn)生，所述對(duì)應(yīng)組篩選闊值是指某種PVT環(huán)境 下得到的設(shè)及末端觸發(fā)器的所有路徑的延時(shí)包絡(luò)中的最小值。
[000引一種基于在線時(shí)序監(jiān)測(cè)的寬電壓自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟：
[0009] (1)在被監(jiān)測(cè)主電路的所有路徑中選擇需要進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集合；
[0010] (2)在所述關(guān)鍵路徑集合中，分別用監(jiān)測(cè)單元替換各個(gè)路徑末端的觸發(fā)器；
[0011] (3)各監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PVT偏差對(duì)時(shí)序的影響，并在電路時(shí)序緊張即將出錯(cuò)時(shí) 給出錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)；
[0012] (4)根據(jù)監(jiān)測(cè)單元的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行電壓和頻率的調(diào)節(jié)，
[0013] 其特征在于所述監(jiān)測(cè)路徑由多組在大量隨機(jī)輸入向量下被激活的延時(shí)大于對(duì)應(yīng) 組篩選闊值的關(guān)鍵路徑集合合并產(chǎn)生，所述對(duì)應(yīng)組篩選闊值是指某種PVT環(huán)境下得到的設(shè) 及末端觸發(fā)器的所有路徑的延時(shí)包絡(luò)中的最小值。
[0014] 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段在被監(jiān)測(cè)電路中加入在線時(shí)序監(jiān)測(cè)單元來實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)PVT偏 差對(duì)時(shí)序的影響，當(dāng)PVT偏差太大致使電路時(shí)序緊張而出錯(cuò)時(shí)，降低工作頻率或提高工作 電壓；相應(yīng)的，當(dāng)時(shí)序?qū)捤蓵r(shí)可W提高工作頻率或降低電壓，因此能夠有效降低傳統(tǒng)集成電 路設(shè)計(jì)中預(yù)留的時(shí)序余量，從而降低電路功耗或提高電路性能。
[0015] 由于在面向?qū)掚妷悍秶ぷ鲿r(shí)PVT偏差嚴(yán)重，使得有可能成為關(guān)鍵路徑的路徑數(shù) 量大大增加，需要監(jiān)測(cè)的路徑數(shù)量變得很多，增加了額外電路面積和功耗開銷。本發(fā)明的另 一目的是提供一種監(jiān)測(cè)路徑篩選方法，能有效降低在寬電壓下需要監(jiān)測(cè)的路徑數(shù)量。本發(fā) 明采用考慮激活率的路徑延時(shí)統(tǒng)計(jì)分析方法來指導(dǎo)關(guān)鍵路徑監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取，即，通過"隨機(jī) 輸入激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)時(shí)序分析+STA靜態(tài)路徑分析"相結(jié)合的方法，找出在大量隨機(jī)輸入向量 下被激活的最關(guān)鍵路徑的集合，從而得出最優(yōu)化的監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇方法。監(jiān)測(cè)路徑篩選方法包 括如下步驟：
[0016] 1)在一種PVT環(huán)境下對(duì)被監(jiān)測(cè)主電路進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，求出設(shè)及末端觸發(fā)器的 路徑集合；
[0017] 2)對(duì)被監(jiān)測(cè)主電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)序分析，求出大量隨機(jī)激勵(lì)下上述路徑集合中所有 路徑延時(shí)的包絡(luò)圖；
[0018] 3)求出上述包絡(luò)中的最小值，作為篩選闊值，W此篩選出被激活路徑的延時(shí)大于 上述篩選闊值的一組需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集合；
[0019]4)在多種PVT環(huán)境下重復(fù)上述步驟1)-3)，得到多組需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集合；
[0020] 5)將上述多組關(guān)鍵路徑集合進(jìn)行合并，得到最終需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集合。
[0021] 有益效果：本發(fā)明的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PVT偏差對(duì)時(shí)序的影響，W 此來調(diào)節(jié)電路工作電壓，當(dāng)時(shí)序?qū)捤蓵r(shí)可W降低電壓，因此能夠有效降低電路功耗。本系統(tǒng) 可W面向包括近闊值在內(nèi)的寬電壓范圍內(nèi)工作，而寬電壓下的PVT偏差影響太大導(dǎo)致可能 成為關(guān)鍵路徑的路徑數(shù)目大大增加，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)路徑選擇方法能有效降低寬電壓下需要 被監(jiān)測(cè)路徑的數(shù)量，由此降低了自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)帶來的面積代價(jià)和功耗代價(jià)。
【附圖說明】
[0022] 圖1為基于在線監(jiān)測(cè)的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明時(shí)序錯(cuò)誤預(yù)測(cè)的在線監(jiān)測(cè)單元電路圖；
[0024]圖3為監(jiān)測(cè)路徑篩選方法工作原理圖（步驟1~3);
[00巧]圖4所有路徑在SS工藝角、1. 1V、125°C下的延時(shí)包絡(luò)圖；
[0026] 圖5STA分析得到的路徑分布圖W及篩選后的路徑；
[0027] 圖6靜態(tài)STA+動(dòng)態(tài)分析路徑篩選得到的關(guān)鍵路徑數(shù)量；
[0028] 圖7超闊值區(qū)1.IV下自適應(yīng)電壓頻率調(diào)節(jié)全過程；
[0029] 圖8近闊值區(qū)0. 6V下自適應(yīng)電壓頻率調(diào)節(jié)過程；
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運(yùn)些實(shí)施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[003。如圖1所示，為基于在線監(jiān)測(cè)的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖，包括被監(jiān)測(cè)主電路、監(jiān) 測(cè)單元、監(jiān)測(cè)路徑、電壓頻率調(diào)節(jié)模塊和電源模塊。在被監(jiān)測(cè)主電路的經(jīng)篩選后的需監(jiān)測(cè)的 關(guān)鍵路徑末端插入監(jiān)測(cè)單元，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PVT偏差對(duì)時(shí)序的影響，當(dāng)PVT偏差太大致使電 路時(shí)序緊張即將出錯(cuò)時(shí)監(jiān)測(cè)單元給出錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)，輸送給忍片中的自適應(yīng)電壓頻率調(diào)節(jié) 模塊來調(diào)節(jié)忍片的工作電壓和頻率。其中監(jiān)測(cè)單元位于監(jiān)測(cè)路徑的末端，用來預(yù)測(cè)電路時(shí) 序是否緊張，當(dāng)時(shí)序緊張即將出錯(cuò)時(shí)給出錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)；監(jiān)測(cè)路徑是被監(jiān)測(cè)主電路中時(shí)序 最為關(guān)鍵的路徑集合，其末端的觸發(fā)器被替換為監(jiān)測(cè)單元；所有監(jiān)測(cè)單元的輸出經(jīng)過異或 后輸入到電壓頻率調(diào)節(jié)模塊，根據(jù)監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果分別控制電源模塊W調(diào)節(jié)被監(jiān) 測(cè)主電路的工作電壓，W及控制鎖相環(huán)W調(diào)節(jié)工作頻率。此處的監(jiān)測(cè)單元可W是預(yù)測(cè)型或 者出錯(cuò)-改錯(cuò)型，本發(fā)明中W預(yù)測(cè)型為例，說明整體效果。
[0032] 如圖2所示，為本發(fā)明時(shí)序錯(cuò)誤預(yù)測(cè)的在線監(jiān)測(cè)單元電路圖。由一個(gè)延時(shí)可配的 延時(shí)單元和一個(gè)異或口W及若干晶體管構(gòu)成。其中，IN為監(jiān)測(cè)單元的數(shù)據(jù)輸入端，IN_delay 為經(jīng)過可配延時(shí)單元后的數(shù)據(jù)輸入，X0R代表異或口的輸出，Error_pre為監(jiān)測(cè)單元輸出的 錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)。當(dāng)輸入IN的翻轉(zhuǎn)過晚時(shí)，Erro;r_pre輸出高電平。
[0033] 本發(fā)明的基于在線時(shí)序監(jiān)測(cè)的寬電壓自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要在常規(guī)數(shù)字電路 的基礎(chǔ)上增加一些步驟，其設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：
[0034] (1)主電路設(shè)計(jì)對(duì)主電路完成前端設(shè)計(jì)和后端版圖設(shè)計(jì)；
[0035] (2)監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)能監(jiān)測(cè)時(shí)序是否緊張的監(jiān)測(cè)單元，并抽取標(biāo)準(zhǔn)單元所需 的庫(kù)信息；
[0036] (3)監(jiān)測(cè)路徑選擇：在主電路的所有路徑中選擇需要進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集 合；
[0037] (4)在主電路中插入監(jiān)測(cè)單元：在上一步中確定的關(guān)鍵路徑集合中，通過工程改 變命令巧ngineering化ange化der，ECO)將監(jiān)測(cè)單元替換各個(gè)路徑末端的觸發(fā)器。
[0038] (5)設(shè)計(jì)電壓頻率調(diào)節(jié)模塊，在出現(xiàn)錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)時(shí)相應(yīng)的進(jìn)行電壓和頻率的調(diào) 節(jié)，W便在保證電路正常工作的前提下降低功耗。
[0039] 如圖3所示，為本發(fā)明監(jiān)測(cè)路徑篩選方法工作原理圖的步驟1~3,包括如下步 驟：
[0040] 1)在一種PVT環(huán)境下對(duì)被監(jiān)測(cè)主電路進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，求出設(shè)及末端觸發(fā)器的 路徑集合；
[0041] 2)對(duì)被監(jiān)測(cè)主電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)序分析，求出大量隨機(jī)激勵(lì)下上述路徑集合中所有 路徑延時(shí)的包絡(luò)圖；
[0042] 3)求出上述包絡(luò)中的最小值，作為篩選闊值，W此篩選出被激活路徑的延時(shí)大于 上述篩選闊值的一組需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集合；
[0043] 4)在多種PVT環(huán)境下（S種及S種W上）重復(fù)上述1)~3)步驟，得到多組需要 監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵路徑集合。最后，將上述多組關(guān)鍵路徑集合進(jìn)行合并，得到最終需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵 路徑集合。
[0044] 本發(fā)明系統(tǒng)及方法面向從近闊值區(qū)到超闊值區(qū)的寬電壓范圍內(nèi)進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè)及 電壓調(diào)節(jié)，在出現(xiàn)錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)時(shí)立即在下一周期降低頻率W保證不再出現(xiàn)新的時(shí)序錯(cuò) 誤，在連續(xù)出現(xiàn)第一設(shè)定值M(具體實(shí)施可取M〉= 1)個(gè)錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)時(shí)發(fā)出電壓升高信號(hào) 給電源模塊使供電電壓提高一個(gè)步長(zhǎng)，在供電電壓穩(wěn)定后將頻率提高到原工作頻率。在頻 率穩(wěn)定后第二設(shè)定值N(具體實(shí)施可取N〉= 3)個(gè)周期長(zhǎng)時(shí)間沒有錯(cuò)誤預(yù)警信號(hào)時(shí)發(fā)出電 壓降低信號(hào)給電源模塊使供電電壓提高一個(gè)步長(zhǎng)。
[0045] 監(jiān)測(cè)路徑篩選方法具體包括如下步驟：
[0046] 步驟一：在一種PVT環(huán)境下進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，求出設(shè)及末端觸發(fā)器的路徑集合：
[0047] 通過STA可W