摘要

谈及功耗，就不得不提“续航力”这个关键词，它已成为各大厂商在低功耗时代争夺用户的关键竞争要素之一。因此，对于IC设计公司而言，如何将节能技术推向极致，便成为研发工作的首要任务。在众多省电技术中，降低操作电压无疑是最直接且优先考虑的方案。针对这一挑战，M31提出了一套低电压标准组件库的设计方案，主要目标就是确保标准组件在低压环境下依然能够稳定可靠地运行。

低电压标准组件库设计的两大挑战

然而，问题在于，当电压降低时，制程变异量反而会加剧。这一特性，直接给标准组件库的设计带来了两大严峻挑战。

挑战一：电路内部信号变异量

电压一旦降低，电路内部信号的变异量就会随之增大，这很容易导致电路出现误操作。过去，解决此问题的常用方法就是依赖蒙地卡罗模拟和硅后量测。但蒙地卡罗模拟存在一个现实瓶颈：需要足够的采样数量，才能确认电路能否达到预定的西格玛值。如果采样数不足，硅后量测的结果就会与模拟不一致，这样一来，开发周期就会被拖得很长，耗时费力。

挑战二：模块精准度

在标准电压下，当输入转换信号线性增加时，电路的延迟时间通常也是线性增加的。此时，模块只需提供几个固定转换点的延迟时间，静态时序分析就能通过内差公式计算出其他点的延迟时间，通常可行。但是，当操作电压降低后，延迟时间不再线性增加，而是呈现非线性变化。此时内差公式计算出的结果与实际值存在较大偏差，用户自然无法获得精确的延迟时间进行验证。

M31的解法：从电路设计到验证的全面优化

1. 加速蒙地卡罗模拟

为了缩短验证时间，M31引入了快速蒙地卡罗模拟工具。同时，针对不同电路，设定了明确的设计规范：在蒙地卡罗验证下，规定变异系数σ/μ须低于10%。这样一来，既保证了内部信号的变化量处于可控范围，又显著提升了开发效率，确保了电路在低电压下的稳定性。

2. 关键路径上，避免使用最小宽度的组件

一个显而易见的原理：组件宽度越小，制程变异量越大。因此，对于低电压操作的标准组件库而言，在关键传递路径上，就必须避免使用最小宽度的组件。这样做，就是为了将内部信号的变异量控制在理想范围内。

3. 引入“多指组件”以分散风险

既然低电压下制程变异量会增大，如何应对？M31的做法是采用多指组件。这种设计的精妙之处在于，它能够将变异量分散到各个组件上。这样一来，单指组件可能出现的“最劣变异量”，在多指组件中就不会发生，制程变异带来的风险随之降低，如图1所示。

图1 单指/多指组件示意图

4. 采用“堆栈闸正反器”解决核心冲突

再看另一个问题。传统的传输闸正反器由两组栓锁器组成。在低电压下，频率信号转换时间会被延长，这导致两组栓锁器会同时开启，“信号竞争”的时间大大增加。更严重的是，由于电压偏低，第一组栓锁器储存的“1”信号电压也较低，在竞争过程中，第二组栓锁器的“0”信号反而会回写至第一组，造成电路误操作，具体波形如图2所示。

图2 传统传输闸正反器在低电压下的操作波形

为了解决这个问题，M31在低电压设计中采用了堆栈闸正反器，核心是将传输闸替换为堆栈闸。当频率信号正沿触发时，由于堆栈式架构的特性，第二组栓锁器的内部节点没有路径可以回写至第二组栓锁器。这样一来，堆栈闸正反器的可操作电压就能低于传统传输闸正反器，稳定性也更好。

提升模块精准度：从“线性外推”到“相关性校验”

M31提供的标准组件库包含了漏电、延迟时间、功率等模块，这些描述电路特性的数据，是用户进行静态时序分析的基础。对于延迟时间，模块通常会提供多个转换点（比如7个点）的延迟数据，静态时序分析再通过内差公式计算其他点的延迟。

问题在于，标准电压下线性增加的规律，在低电压下不再适用，从而导致内差公式计算出的值与实际值产生偏差，如图3所示。

图3 不同转换下的电路延迟时间变化

M31的解决方案是，在输入转换信号的不同点之间，引入相关性公式（式1）。该公式的作用，就是将线性内差公式计算出的值与实际值进行比对。相关性系数越趋近于1，表明模块精度越高。当该系数小于0.9时，M31就会在该范围内额外提供一组转换点的电路延迟时间并写入模块。通过这种查漏补缺的方式，模块的精度得到显著提升，改善结果如表1所示。

式1 相关性计算公式

表1 相关性改善结果对比

总结

与标准电压相比，设计低电压标准组件库，设计者必须面对两大问题：其一是制程变异带来的稳定性挑战，其二是模块精准度导致的验证偏差。M31提出的这一方案，从缩短开发周期、优化组件与电路的低压操作，到提升低电压模块的精度，可以说提供了一套较为完整的解决方案，为市场带来了更具竞争力的低电压标准组件库。