基于在线监测的自适应电压调节系统及监测路径筛选方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及集成电路设计低功耗技术领域，尤其是基于在线时序监测的自适应电 压频率调节技术领域。
【背景技术】
[0002] 近些年，宽电压（Widevoltagerange)集成电路得到了广泛关注，它通常涵盖近 /亚阔值区至常规电压区，可W在宽电压范围内进行供电电压调节，W便在满足忍片不同负 载下的高性能或高能效需求。由于PVT(Process,Voltage,Temperature)偏差的存在，集成 电路设计中需要预留一定的时序余量W满足最坏情况下的时序约束，造成了性能和功耗浪 费。片上时序监测技术通过在电路中安插片上时序监测单元，将PVT偏差对于电路影响转 化成电路中关键路径延时的变化，从而可W结合一定的控制电路根据监测单元的监测信息 进行电压和频率的调节。可W分为出错改错型和时序预测型两类。时序错误预测型监测单 元由于不需要系统级的恢复机制而具有优势，其典型代表是CanaryFlip-flop和肥PP电 路。
[0003] 为了保证数字电路正常工作，必须保证所有的关键路径在单时钟周期内工作正 确。路径延时可通过静态时序分析（StaticTimingAnalysis,STA)得到，但若全部予W 监测则实现代价过高，通常监测延时较长的一部分关键路径，但具体取多少关键路径作为 监测点均为简单设定，尚未有严谨的理论分析。运种方法过于简单，往往导致监测的关键路 径过多，使得实现代价提高，并引来监测单元本身的额外功耗，因此无法充分发挥低功耗优 势。
[0004] 运个问题在近阔值电压下更严重，电压下降时不仅延时的均值y和方差6均成 倍增加，3 6 /y值也显著增加，运使得关键路径延时的波动更严重，由于其不可预测性，为 了不造成漏判，通常需要监测数量更多的路径。例如近阔值肥PP电路监测了前70%最长的 关键路径，远大于常压区常用的10%~30%，致使面积、功耗代价成倍增加。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对上述宽电压电路的自适应电压调节系统存在的问题，本发明的目 的是提供一种基于在线时序监测的宽电压自适应电压调节系统及关键路径筛选方法，通过 在线监测电路的时序情况调节电压和频率，W降低功耗。
[0006] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种基于在线时序监测的宽电压自适应电压调节系统，包括被监测主电路、监测 单元、监测路径、电压频率调节模块和电源模块，其中监测单元位于监测路径的末端，用来 实时监测PVT偏差对时序的影响，并在电路时序紧张即将出错时给出错误预警信号；监测 路径是被监测主电路中时序最为关键的路径集合；电压频率调节模块根据监测单元的实时 监测结果，分别控制电源模块调节被监测主电路的工作电压，W及控制锁相环调节被监测 主电路的工作频率，其特征在于所述监测路径由多组在大量随机输入向量下被激活的延 时大于对应组筛选阔值的关键路径集合合并产生，所述对应组筛选阔值是指某种PVT环境 下得到的设及末端触发器的所有路径的延时包络中的最小值。
[000引一种基于在线时序监测的宽电压自适应电压调节方法，包括如下步骤：
[0009] (1)在被监测主电路的所有路径中选择需要进行时序监测的关键路径集合；
[0010] (2)在所述关键路径集合中，分别用监测单元替换各个路径末端的触发器；
[0011] (3)各监测单元实时监测PVT偏差对时序的影响，并在电路时序紧张即将出错时 给出错误预警信号；
[0012] (4)根据监测单元的实时监测结果进行电压和频率的调节，
[0013] 其特征在于所述监测路径由多组在大量随机输入向量下被激活的延时大于对应 组筛选阔值的关键路径集合合并产生，所述对应组筛选阔值是指某种PVT环境下得到的设 及末端触发器的所有路径的延时包络中的最小值。
[0014] 本系统在设计阶段在被监测电路中加入在线时序监测单元来实时的监测PVT偏 差对时序的影响，当PVT偏差太大致使电路时序紧张而出错时，降低工作频率或提高工作 电压；相应的，当时序宽松时可W提高工作频率或降低电压，因此能够有效降低传统集成电 路设计中预留的时序余量，从而降低电路功耗或提高电路性能。
[0015] 由于在面向宽电压范围工作时PVT偏差严重，使得有可能成为关键路径的路径数 量大大增加，需要监测的路径数量变得很多，增加了额外电路面积和功耗开销。本发明的另 一目的是提供一种监测路径筛选方法，能有效降低在宽电压下需要监测的路径数量。本发 明采用考虑激活率的路径延时统计分析方法来指导关键路径监测点的选取，即，通过"随机 输入激励下的动态时序分析+STA静态路径分析"相结合的方法，找出在大量随机输入向量 下被激活的最关键路径的集合，从而得出最优化的监测点选择方法。监测路径筛选方法包 括如下步骤：
[0016] 1)在一种PVT环境下对被监测主电路进行静态时序分析，求出设及末端触发器的 路径集合；
[0017] 2)对被监测主电路进行动态时序分析，求出大量随机激励下上述路径集合中所有 路径延时的包络图；
[0018] 3)求出上述包络中的最小值，作为筛选阔值，W此筛选出被激活路径的延时大于 上述筛选阔值的一组需要监测的关键路径集合；
[0019]4)在多种PVT环境下重复上述步骤1)-3)，得到多组需要监测的关键路径集合；
[0020] 5)将上述多组关键路径集合进行合并，得到最终需要监测的关键路径集合。
[0021] 有益效果：本发明的自适应电压调节系统能实时监测PVT偏差对时序的影响，W 此来调节电路工作电压，当时序宽松时可W降低电压，因此能够有效降低电路功耗。本系统 可W面向包括近阔值在内的宽电压范围内工作，而宽电压下的PVT偏差影响太大导致可能 成为关键路径的路径数目大大增加，本发明的监测路径选择方法能有效降低宽电压下需要 被监测路径的数量，由此降低了自适应电压调节带来的面积代价和功耗代价。
【附图说明】
[0022] 图1为基于在线监测的自适应电压调节系统框图；
[0023] 图2为本发明时序错误预测的在线监测单元电路图；
[0024]图3为监测路径筛选方法工作原理图（步骤1~3);
[00巧]图4所有路径在SS工艺角、1. 1V、125°C下的延时包络图；
[0026] 图5STA分析得到的路径分布图W及筛选后的路径；
[0027] 图6静态STA+动态分析路径筛选得到的关键路径数量；
[0028] 图7超阔值区1.IV下自适应电压频率调节全过程；
[0029] 图8近阔值区0. 6V下自适应电压频率调节过程；
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的范围。
[003。如图1所示，为基于在线监测的自适应电压调节系统框图，包括被监测主电路、监 测单元、监测路径、电压频率调节模块和电源模块。在被监测主电路的经筛选后的需监测的 关键路径末端插入监测单元，用来实时监测PVT偏差对时序的影响，当PVT偏差太大致使电 路时序紧张即将出错时监测单元给出错误预警信号，输送给忍片中的自适应电压频率调节 模块来调节忍片的工作电压和频率。其中监测单元位于监测路径的末端，用来预测电路时 序是否紧张，当时序紧张即将出错时给出错误预警信号；监测路径是被监测主电路中时序 最为关键的路径集合，其末端的触发器被替换为监测单元；所有监测单元的输出经过异或 后输入到电压频率调节模块，根据监测单元实时监测的结果分别控制电源模块W调节被监 测主电路的工作电压，W及控制锁相环W调节工作频率。此处的监测单元可W是预测型或 者出错-改错型，本发明中W预测型为例，说明整体效果。
[0032] 如图2所示，为本发明时序错误预测的在线监测单元电路图。由一个延时可配的 延时单元和一个异或口W及若干晶体管构成。其中，IN为监测单元的数据输入端，IN_delay 为经过可配延时单元后的数据输入，X0R代表异或口的输出，Error_pre为监测单元输出的 错误预警信号。当输入IN的翻转过晚时，Erro;r_pre输出高电平。
[0033] 本发明的基于在线时序监测的宽电压自适应电压调节系统需要在常规数字电路 的基础上增加一些步骤，其设计方法包括如下步骤：
[0034] (1)主电路设计对主电路完成前端设计和后端版图设计；
[0035] (2)监测单元设计：设计能监测时序是否紧张的监测单元，并抽取标准单元所需 的库信息；
[0036] (3)监测路径选择：在主电路的所有路径中选择需要进行时序监测的关键路径集 合；
[0037] (4)在主电路中插入监测单元：在上一步中确定的关键路径集合中，通过工程改 变命令巧ngineering化ange化der，ECO)将监测单元替换各个路径末端的触发器。
[0038] (5)设计电压频率调节模块，在出现错误预警信号时相应的进行电压和频率的调 节，W便在保证电路正常工作的前提下降低功耗。
[0039] 如图3所示，为本发明监测路径筛选方法工作原理图的步骤1~3,包括如下步 骤：
[0040] 1)在一种PVT环境下对被监测主电路进行静态时序分析，求出设及末端触发器的 路径集合；
[0041] 2)对被监测主电路进行动态时序分析，求出大量随机激励下上述路径集合中所有 路径延时的包络图；
[0042] 3)求出上述包络中的最小值，作为筛选阔值，W此筛选出被激活路径的延时大于 上述筛选阔值的一组需要监测的关键路径集合；
[0043] 4)在多种PVT环境下（S种及S种W上）重复上述1)~3)步骤，得到多组需要 监测的关键路径集合。最后，将上述多组关键路径集合进行合并，得到最终需要监测的关键 路径集合。
[0044] 本发明系统及方法面向从近阔值区到超阔值区的宽电压范围内进行时序监测及 电压调节，在出现错误预警信号时立即在下一周期降低频率W保证不再出现新的时序错 误，在连续出现第一设定值M(具体实施可取M〉= 1)个错误预警信号时发出电压升高信号 给电源模块使供电电压提高一个步长，在供电电压稳定后将频率提高到原工作频率。在频 率稳定后第二设定值N(具体实施可取N〉= 3)个周期长时间没有错误预警信号时发出电 压降低信号给电源模块使供电电压提高一个步长。
[0045] 监测路径筛选方法具体包括如下步骤：
[0046] 步骤一：在一种PVT环境下进行静态时序分析，求出设及末端触发器的路径集合：
[0047] 通过STA可W