低功耗设计 | isolation cell

数字芯片社区

发布于 2022-02-11 08:29:46

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发布于 2022-02-11 08:29:46

文章被收录于专栏：数字芯片

在 multi-voltage design 中，常常用到isolation cell; 本文简单介绍什么是 iso cell，如何使用 iso cell, 何时需要加 iso cell， iso cell的插入位置。

1. 什么是 iso cell ？

isolation cell（隔离单元），通常用于电源关断技术（PSO）和多电源多电压技术（MSMV）。起到不同电压域之间的电压钳制和隔离作用。

isolation cell是shutdown模块和always on模块之间的接口，用于隔离两个不同的 power domain。

isolation cell示意图如下：

iso cell 有一个控制端 EN，当 EN 无效时， A 端信号直接送到 Y 端，此时 iso cell 等效于一个buffer；当 EN 有效时，buffer 断开，Y 端保持固定的高电平或者低电平；

为了保证isolation cell能够在power down的时候仍然能够正常工作，一般来说isolation cell都会有一个primary power和一个secondary power，后者能够保证前者power down时器件仍然能够工作。

即如上图所示： iso cell 的两组 power：primary power VDD 和 backup power VDDB，当左边domain 关掉时， VDD off，此时就由 VDDB 供电，维持 Y 端的固定电平。

2. 如何使用 iso cell ？

通常isolation cell和Level Shifter一起连用，AND和OR门都可以组成一个isolation cell;

1. AND类型：输出iso成0；

2. OR类型：输出iso成1；

3. 何时需要用到 iso cell ？

当信号从一个module传入另一个module，如果shutdown模块的电源关闭，则输出信号可能出现不可预测的数值，若此数值传递给always on模块，可能会导致功能出现问题。因此需要将电源关闭module的输出信号和其他module隔离开来，给所有的边界信号加入isolation cell（ISO）。

isolation cell的作用在于在电源关掉之后，将某个信号电位固定到高电位或低电位，保证输出的信号是一个确定值（1或0）。如下图所示：

当信号从一个 off domain 穿到另一个 domain （on 或者 off）时，如果 domain A 关掉，而 domain B 还在运行，就会出现 B 的input floating，此时 B 就可能会因为输入不定态而出现错误；所以当信号从 A 到 B 时，需要加 iso cell，保证在 A 关掉时，A 的输出信号维持在稳定的电平；

4.iso cell的插入位置？

关于isolation cell的插入位置，我们需要决定是放在power gated module (source module)内还是always-on module (destination module)内。

插在 source module 的ouput 端一是可以节省所需要的 isolation cell 数量，考虑一个模块引脚的输出连到多个模块引脚的输入的情况，二是便于检查。
插在destination module的input 端优点是 isolation cell 需要 always-on 的 power。若放在 source module的output端，还需要引 always-on 的 power rail 过来。（考虑到power-on rail的走线，isolation cell自身的功耗，一般还是放在input端比较好，因为放在input端不需要always-on的power）

不管放在那里，其power的连接都需要注意： isolation放置的地方都需要gated power和always-on power同时存在并且物理和逻辑连接都正确，因此经常会把isolation cell指定一个固定的区域放置，可以选择在此区域中打上两种不同的power stripe和power rail来连接它们，或者选择让工具以自动routing的方式将secondary power连接起来，后者主要出现在非先进工艺中。

总结：

isolation_cell可以放在哪个domain，或者独立呢？可以从几个角度思考：

1）isolation_cell电源问题。

isolation_cell工作的意义就在于power_gated_domian关闭不影响always_on_domain,所以其本身要工作至少不能使用power_gated_domian的电源。

所以isolation_cell放在always_on_domain或者独立更好。

2）isolation_cell数量问题。 对于power_gated_domian:always_on_domain=1:n时，要实现一个isolation_cell可以控制所有输出，有两个选择power_gated_domian和独立，而always_on_domain肯定不能实现。

3）isolation_cell所占的面积问题。 如果isolation_cell独立，单个isolation_cell所占的面积可以稍微大一些。因此，可以看出isolation_cell的位置是与具体的场景有关，并不是唯一的。

如果power_gated_domian:always_on_domain=1:1，那放在always_on_domain中应该是最优解，因为可以直接使用电源，数量为1，面积最小。

注：

1）power_gated_domian：电源可关闭域，即低功耗下，为关闭状态。

2）always_on_domain：电源常开域，即器件主要处理域，电源工作状态不可关闭。

下面是lib iso cell：

cell(Isolation_Cell) {
is_isolation_cell : true;
dont_touch : true;
dont_use : true;
pg_pin(VDD) {
 voltage_name : VDD;
 pg_type : primary_power;
}
pg_pin(VSS) {
 voltage_name : VSS;
 pg_type : primary_ground;
}
...
pin(A) {
 direction : input;
 related_power_pin : VDD;
 related_ground_pin : VSS;
 isolation_cell_data_pin : true;
}
pin(EN) {
 direction : input;
 related_power_pin : VDD;
 related_ground_pin : VSS;
 isolation_cell_enable_pin : true;
}
pin(Y) {
 direction : output;
 related_power_pin : VDD;
 related_ground_pin : VSS;
 function : "A * EN";
 power_down_function : "!VDD + VSS";
 timing() {
 related_pin : "A EN";
 cell_rise(template) {
 ...
 }
 ...
}
...