一个人就是他整天所想的东西
-- 拉尔夫·沃尔多·爱默生
本周继续在电压上做文章，我们来看一看多电压域（multi-voltage domain）设计。毕竟SoC的动态功耗跟供电电压的平方成正比，降低一点供电电压很利于动态功耗的改善。
多电压域的主要设计思想就是SoC内的每个模块/IP根据自己的需要，工作在不同电压域。需要注意的是，为了简单起见，今天要讲的multi-voltage主要指静态电压调节（static voltage scaling）技术，也包括一些之前介绍过的动态电压调节DVS。但是和准备以后讲的电源门控（power gating）无关。也就是说SoC的所有模块/IP工作在固定的供电电压下（各自之间可能不同）。大家千万不要混淆了这几个概念，虽然实际设计中可能几种技术会同时采用。
图1 多电压设计架构示意图
多电压设计要面对几个挑战如下：
- Level shifter，
- STA
- Floor/Power planning，
- Power up/down sequence
首先要讲的是电平转换（level shifter）。在不同电压域的接口之间传输信号需要格外注意，可能会存在驱动不足或者过驱动的问题。如果是高电平域的信号输出到低电平域，由于低电平域器件的阈值电压低，直接接高电平信号有可能会造成误抖动；反过来如果是低电平域信号输出到高电平域，由于高电平域器件的阈值电压高，所以高电平域器件很难区分低电平域信号的0/1，如果直接连接会有驱动不足等问题。
因此，建议不管是从高到低转换还是从低到高转换，都要加上level shifter。Level shifter通常不具备逻辑功能，只是用于不同电压值之间的信号电平的转换。也就是说level shifter不会对功能仿真造成影响，不需要去写验证激励来测试，这一点上与后面要讲的power gating中用到的isolation不同，本篇讲的level shifter都是指的不带isolation功能的。下面两个图是level shifter的逻辑与简单电路图，图中的H表示高电平，L表示低电平。
图2 高电平到低电平level shifter
图3 低电平到高电平level shifter
感兴趣的同学可以根据自己手边的lib文件看一下，通常搜is\_level\_shifter这个关键字。下图是在Liberty User Guide中截取的（其实这是一个带enable的level shifter，相当于有isolation功能），供参考。
图4 lib文件里面的level\_shifter
Level shifter并不会影响逻辑设计，它只是一个电压转换的buffer。现在的EDA工具都支持自动插入level shifter了，不用再改动RTL了，但是会要求指定level shifter的摆放区域。Level Shifter可以加在信号的源（source）端，也可以加在信号的目的（destination）端。一般来说，推荐加在目的端。也就是说，如果是高到低转换，levelshifter放在低电压域；如果是低到高转换，放在高电压域。但是这个规则并不绝对，具体要结合实际情况，比如要考虑功耗，时序等。
关于level shifter需要注意的还有一点，如果涉及到了动态调压，要确定各模块的电压高低是否能保持一致。
图5 DVS时要注意模块间的电压转换关系
由于Level shifter不影响逻辑，所以在做功能验证时不需要额外验证这块了。但是在做设计检查时千万不能忘记，比如一定要检查netlist中是否插入了level shifter以及方向等等。
在多电压的SoC设计中，全局时钟信号需要传播在不同的电压域之间。在做CTS的时候需要告诉工具这些信息。对于静态多电压设计，静态时序分析并不太难（跟单一电压设计比）。如果是动态多电压设计，STA就复杂多了，今天就不深入讨论了。
需要指出一点，往往低到高的level shifter会带来比较大的延迟，对于时序比较紧张的路径要格外小心。
对于物理实现来说，每一个电源域都要设计独立的电源网络，所以也就带来了更多的工作量。尤其是对于电源管脚数量受限的芯片，在设计电源网络时要格外注意。
如果只是静态多电压设计，除了电源网络外，还要注意level shifter的摆放，其各种设计规则检查相对来说要简单一些。如果是动态多电压设计，各种检查就复杂一些了。举个例子，就像之前讲过的IR drop仿真，要考虑多种工作场景，尽可能的把各种可能用到的工作电压组合都检查到；对于有电源门控的设计，还要做门控开关打开的IR drop及其它相关检查，留待以后再说。
在板级设计上，由于供电源多，设计也会复杂一些。考虑到不同电源域的模块之间可能会有一些依赖关系，所以板级和SoC内部的复位逻辑也要仔细考虑。板级设计不是我的主业，就不多叨叨了，有兴趣的的同学可以查阅一下文章或者是大厂的电源管理芯片application note文档。我相信会找到很多有用信息。
作者：老秦谈芯
来源：https://mp.weixin.qq.com/s/NiNelx9Jm_6l_AjgWJRItA
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