芯片低功耗设计之UPF简介

可以把芯片设计粗略分为三个部分：功能、时序和电源，它们分别对应RTL、SDC和UPF三种设计文件。

前端工程师对RTL和SDC肯定是非常熟悉的，但是UPF（SNPS叫UPF，Cadence叫CPF）更多地是跟后端相关，所以前端不一定了解。这里简单介绍一下UPF的原理。

首先要明白几个概念。

1、Power Domain（PD）

网上关于PD的解释：Hence, the UPF power domain is a collection of instances that are treated as a group for power-management purposes. Power domain defines the group of instances that shares the common set of power supply requirements.

形象化一点的理解，PD就是共用一个电源（包括VDD和VSS）的一堆电路，而且这堆电路的边界往往是根据RTL Hierarchy的boundary来定义的。

2、Supply Nets, Supply Ports, Power Switches

Supply Nets：可以类比RTL里面的wire，用来定义一根电源线，而且只在声明它的PD中有效。

Supply Ports：可以类比RTL里面的port，在电路中它们对应的是电源pin。

Power Switches：这个没有可类比的RTL元素，它就是一个电源开关，其两端电源属于不同的Nets，控制信号来自RTL function电路。

3、Isolation Cell（ISO）

在用到power switch的多电源域芯片中，ISO是必须用到的单元。原因很简单，可关电的PD的逻辑输出，在power down以后呈现X态，如果不加处理连到always on的逻辑，可能导致功能异常。ISO的功能类似AND和OR（取决于掉电后希望保持1还是0），其中ISO_EN由always on domain的信号驱动，在掉电前会先打开ISO_EN，保证掉电PD的输出都处于确定值，然后再关电；反过来，上电完成后才会关闭ISO_EN，从而保证电路的稳定。

那么ISO应该放到关电PD还是always on呢？答案是都可以。放到关电PD的优点是可以节省ISO数量（考虑到一个输出连到多个PD的情况），缺点是需要把always on的power rail拉过来；放到always on的话其电源连接比较简单。笔者更倾向于后者。

4、Power State Table（PST）

用来定义芯片低功耗模式的一张表格，包含power supplies（nets/ports）以及它们在不同模式下的状态（on/off）。

有了这些基本概念，我们可以试着设计一个简单的UPF。

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## UPF Demo                ##
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## create power domains
create_power_domain chip_top    -include_scope
create_power_domain block1      -elements {inst_block1}
create_power_domain block2      -elements {inst_block2}
create_power_domain block3      -elements {inst_block3}
## create common supply net
## VDD is the always on source net for every block
create_supply_net   VDD      -domain chip_top
create_supply_net   VDD      -domain block1         -reuse
create_supply_net   VDD      -domain block2         -reuse
create_supply_net   VDD      -domain block3         -reuse
## create supply nets for blocks functional logic
create_supply_net   VDD_1    -domain block1     
create_supply_net   VDD_2    -domain block2     
create_supply_net   VDD_3    -domain block3  
## create common VSS net for whole chip
create_supply_net   VSS           -domain chip_top
create_supply_net   VSS           -domain block1     -reuse
create_supply_net   VSS           -domain block2     -reuse
create_supply_net   VSS           -domain block3     -reuse
## create VDD port and connect it to VDD supply net
create_supply_port  VDD
connect_supply_net  VDD      -ports   VDD
## create VSS port and connect it to VSS supply net
create_supply_port  VSS     
connect_supply_net  VSS      -ports   VSS
## set primary supply net
set_domain_supply_net chip_top      -primary_power_net VDD      -primary_ground_net VSS
set_domain_supply_net block1        -primary_power_net VDD_1    -primary_ground_net VSS 
set_domain_supply_net block2        -primary_power_net VDD_2    -primary_ground_net VSS 
set_domain_supply_net block3        -primary_power_net VDD_3    -primary_ground_net VSS
## create power switch
create_power_switch block1_sw   -domain block1  -input_supply_port { VDD} -output_supply_port { VDD_1} \
                                -control_port { inst_always_on/pwr_ctrl} \
                                -on_state     {  } \
                                -off_state    { }
map_power_switch    block1_sw   -domain block1 -lib_cells {}
create_power_switch block2_sw   -domain block2  -input_supply_port { VDD} -output_supply_port { VDD_2} \
                                -control_port { inst_always_on/pwr_ctrl} \
                                -on_state     {  } \
                                -off_state    { }
map_power_switch    block2_sw   -domain block2 -lib_cells {}
create_power_switch block3_sw   -domain block3  -input_supply_port { VDD} -output_supply_port { VDD_3} \
                                -control_port { inst_always_on/pwr_ctrl} \
                                -on_state     {  } \
                                -off_state    { }
map_power_switch    block3_sw   -domain block3 -lib_cells {}
## set isolation cells, default clamp value = 0
set_isolation block1_iso_out    -domain block1      -isolation_power_net VDD -isolation_ground_net VSS -clamp_value 0 -applies_to outputs
set_isolation block2_iso_out    -domain block2      -isolation_power_net VDD -isolation_ground_net VSS -clamp_value 0 -applies_to outputs
set_isolation block3_iso_out    -domain block3      -isolation_power_net VDD -isolation_ground_net VSS -clamp_value 0 -applies_to outputs
## set exceptions for the isolation cells with clamp value = 1
set_isolation block1_iso_high_out -domain block1    -isolation_power_net VDD -isolation_ground_net VSS -clamp_value 1 -applies_to outputs -elements { \
                inst_block1/output_signal1 \
                inst_block1/output_signal2 \
                inst_block1/output_signal3 \
                inst_block1/output_signal4 }
set_isolation block3_iso_high_out -domain block3    -isolation_power_net VDD -isolation_ground_net VSS -clamp_value 1 -applies_to outputs -elements { \
                inst_block3/output_signal1 \
                inst_block3/output_signal2 \
                inst_block3/output_signal3 \
                inst_block3/output_signal4 \
                inst_block3/output_signal5 \
                inst_block3/output_signal6 \
                inst_block3/output_signal7 \
                inst_block3/output_signal8 }
## set isolation control signals for both clamp vaule 0 and clamp value 1 cells
set_isolation_control block1_iso_out       -domain block1  -isolation_signal inst_always_on/block1_iso_en  -isolation_sense high -location parent
set_isolation_control block1_iso_high_out  -domain block1  -isolation_signal inst_always_on/block1_iso_en  -isolation_sense high -location parent
set_isolation_control block1_iso_out       -domain block2  -isolation_signal inst_always_on/block2_iso_en  -isolation_sense high -location parent
set_isolation_control block1_iso_high_out  -domain block2  -isolation_signal inst_always_on/block2_iso_en  -isolation_sense high -location parent
set_isolation_control block1_iso_out       -domain block3  -isolation_signal inst_always_on/block3_iso_en  -isolation_sense high -location parent
set_isolation_control block1_iso_high_out  -domain block3  -isolation_signal inst_always_on/block3_iso_en  -isolation_sense high -location parent
## define power state on supply port
add_port_state VDD                            -state {on  0.81}
add_port_state block1_sw/    -state {on  0.81} -state {off off}
add_port_state block2_sw/    -state {on  0.81} -state {off off}
add_port_state block3_sw/    -state {on  0.81} -state {off off}
add_port_state VSS                            -state {on  0}
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## Create PST                              ##
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create_pst flatten_pst -supplies                {VDD  VDD_1  VDD_2  VDD_3}
## all power on
add_pst_state pwr_s0  -pst flatten_pst  -state  { on   on     on     on  }  
## block2 & block3 power off
add_pst_state pwr_s1  -pst flatten_pst  -state  { on   on     off    off }
## block1 & block3 power off
add_pst_state pwr_s2  -pst flatten_pst  -state  { on   off    on     off }
## block1 & block2 & block3 power off
add_pst_state pwr_s3  -pst flatten_pst  -state  { on   off    off    off }

除了上面提到的内容，UPF还包含level shifter/retention/always_on_cell等单元，可以实现多电压域等更复杂的低功耗设计。此外，UPF2.0以后的版本还支持面向对象的写法，灵活度更高，不过可读性较差。UPF1.0应对一般的电源设计是足够用了。