专利名称：集成电路的电源开关电路定尺寸和布置技术的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及集成电路，更具体地说，涉及一种改进的集成电路设计和方法，所述设计和方法利用了专用集成电路(ASIC)设计中的电压岛，所述专用集成电路设计越来越多地使用电源切换技术来控制芯片功耗。
背景技术：
当技术随着提高的电路密度和性能而提高时，随着设计者努力利用不断进步的硅能力，减小功耗的需要显著增加。消费产品市场进一步推动了尽量减小芯片功耗的需要。
传统CMOS电路消耗的总功率包括当电路切换状态以及对与切换节点相关的电容充电或放电时电路消耗的有功功率。有功功率代表由电路的切换信号状态并因此执行逻辑功能的预定工作所消耗的功率。如果所述电路没有有效地切换，则此功率将不存在。有功功率与被切换的电容、运行频率以及电源电压的平方成比例。由于技术的提高，每单位面积的电容随着每一代工艺而增加。由这种电容增加所代表的功率增加被电源电压Vdd的提高所抵消。
但是，运行频率随着每一代而增加，导致从技术代到技术代的有功功率密度的总体增加。这种不断增加的功率密度又依次推动了对更昂贵的封装、更复杂的冷却解决方案的需要并由于提高的温度而降低了可靠性。
因此，需要一种提高性能并同时降低功耗的方法和结构。通过提供对电源开关电路的最优布置问题的解决方案，下面描述的本发明满足了这些需要。
发明内容
本发明提供了一种如权利要求1和相应的权利要求6的方法所要求保护的集成电路结构。
从以下参考附图对本发明的各优选实施例的详细说明可以更好地理解本发明，这些附图是图1是一个包括若干隔离的块的集成电路；图2是一个被包括到集成电路布线中的电源开关电路；图3示出了一系列描绘电压降与各种宽度金属线的最大驱动距离之间的关系的曲线；图4示出了从驱动距离到有效区域的转换；图5示出了一个具有均匀随机逻辑布置的电压岛；图6和7示出了可以在电压岛内包括若干逻辑核心区域的结构；以及图8是一个示出了本发明如何将电源开关的尺寸与一个或多个电源总线的宽度相匹配的流程图。
具体实施例方式
由进步的技术提出的功率挑战迫使系统设计者就关于他们正在设计的功能的器件、结构和电压电平做出选择。在先前的各代，大型功能块没有集成在同一芯片上，因此可以为每个块独立地做出这些选择。由允许片上系统(SoC)技术所支持的高集成度推动了单芯片实现，其中传统的功率分配和性能优化方法无法提供电压灵活性和对先前分离的解决方案的技术优化。
较新的技术将每个半导体芯片分成单独的功能块(电压岛)，如共同未决的美国专利申请No.10/065,201和10/065,202中所说明的。这些SoC设计的电压岛可以具有与其余设计不同的功率特征，并且因此可以使用本发明来进行优化。
一种基于电压岛的SoC体系结构使用诸如电源开关之类的额外设计组件来分配和管理功率。ASIC设计正在越来越多地使用电源切换技术来控制芯片功耗。因此，当特定的电压岛空闲时，通过断开它们的电源可以节约功率。本发明提供了对此类电源切换电路的最佳布置问题的解决方案。
更具体地说，图1示出了一个可包括许多隔离的块的集成电路，其中一个块标为“电压岛”10。在框10的边界内的电路的电源与芯片的其余部分隔离并由电源开关电路11来控制。为描述方便，此特定实例描述了岛电源来自单个外围I/O单元12，通过电源开关11，然后被分配给该岛内的所有单元。但是，单个I/O单元12、连接导线13以及电源开关单元11具有有限的电流容量。因此，为了充分利用电源切换的优点，最好在每个电压岛中使用多个电源开关电路。以下描述了一种用于确定所需的电源开关单元数量和它们对于各种电压岛内容的布置的技术。
图2示出了一个被包括到集成电路布线中的电源开关电路11。在此实例中，所示金属(Mx)的最高平面将未切换的电流提供给电源开关电路。电源开关11经由底层金属层(在本实例中为MX-1和MX-2)将切换后的电流提供给电压岛。电源开关单元的电流容量受导线宽度或提供切换功能的电路的限制。在任一情况下，每个电源开关单元都具有有限的电流容量，MX-1上可提供该电流容量的一部分，而MX-2上可提供剩余部分。如果由电源开关单元驱动的垂直金属线的电流容量相等，则每个金属平面上可提供相等的电流。如果设计得当，电流密度不会超过金属导线的容量，并且电压降(电压降随驱动距离而增加)是可以离电源开关单元多远来驱动电路的限制因素。
图3示出了一系列描绘单个周期上电压降与各种宽度金属线的最大驱动距离(对于给定负载)之间的关系的曲线(示为Wa、Wb和Wc)。在图3中，Wa是最窄的线，而Wc是最宽的线。所述各曲线代表特定的功率模式和负载，但通常电压降随驱动距离而增加。本发明匹配电源开关的大小以便仅提供由可用的电源总线宽度所支持的电流。因此，通过知道布线长度、宽度和负载，可以计算出将出现在电源总线上的电流和电压。电压岛内的电源开关的大小被选择为匹配该电流和电压。将电源开关电路大小与电源总线宽度相匹配确保了最小的面积开销被专用于电源切换电路。
电压岛内的电源开关单元的高效布置取决于该岛内的电路。电源开关单元的有效支持区域与它所驱动的电源总线的设计紧密关联。对于规则的垂直功率分布，电源开关的有效支持区域可以近似为半径等于图3所示的最大驱动距离的圆。图4示出了从最大驱动距离到有效区域的转换。有效支持区域的一条边的尺寸的一半是有效器件距离。此关系是设计相关的，与可用于功率分布的金属平面的数量和它们的几何关系有关。本发明可应用于任何设计形式，其中电源开关电路的布置可以与可用区域有关。
图5示出了一个具有均匀随机逻辑布置和功耗的电压岛。首先，本实施例确定电源总线上将出现的电流和电压降。由此本实施例选择适当大小的电源开关。接着，本实施例确定如上所示的电源总线宽度和分布的最大电源开关驱动距离。然后，本实施例根据电源开关可用区域来划分电压岛区域，以便确定所需的电源开关单元的数量。本实施例跨所述电压岛均匀地分布电源开关电路，确保驱动距离不超过图5中的x或y(x和y是对于给定电源总线宽度和分布的最大电源开关可用区域)。
换言之，如图8所示，本实施例将电源开关的大小与提供电源给电压岛的一个或多个电源总线的宽度相匹配800。匹配过程800将电源开关的大小与将由电源总线提供的电流和电压相匹配。然后，本实施例确定每个电源开关能够向其提供电源的可用区域的大小802。可用区域取决于电源总线电流、电压降以及分布。接着，本实施例根据每个电源开关的可用区域的大小将电源开关置于电压岛中804。更具体地说，本实施例根据可用区域的大小来划分电压岛区域，以便计算所需的电源开关的数量。
但是，均匀的电源开关布置并不总是可能的，诸如岛内具有较大的核心的情况。例如，图6示出了具有非均匀布置的电压岛，所述布置具有大小为P乘Q的逻辑核心60。首先，本实施例再次确定电压降和开关大小800。接着，本实施例为岛的非核心部分61确定电压岛电源总线分布的最大电源开关驱动距离(例如，可用区域)802。逻辑核心(多个)60的面积被从整个电压岛面积中减去，以便计算非核心61的面积。然后，本实施例跨非核心区域(图6中标为U)均匀地分布电源开关单元804。再次地，本实施例计算可用区域和相对于逻辑核心60区域所需的电源开关的数量(通过根据电源开关可用区域来划分逻辑核心区域)806。然后，本实施例沿核心60的各边均匀地分配(放置、分布等)此数量的电源开关电路，如项808所示。更具体地说，核心区域C的电源开关电路沿核心60的长边放置。这最小化了各电源开关之间的距离，以便确保到逻辑核心60的所有区域的充分电力供应。
如果较短的核心尺寸P超过了有效驱动距离的两倍，或者如果各电源开关之间的距离大于有效驱动距离的两倍(2x或2y)，则在额外电源总线可用的区域增加额外的电源开关单元。图7中示出了此类额外电源开关Ca的一个实例。所支持的驱动距离根据增加的额外电源开关单元Ca的比例而增加。如上所述，额外单元的布置再次沿逻辑核心的长边的周围。通过增加核心区域内电源总线宽度，由此增加电源开关的大小和电源开关可用区域，可以进一步补充此技术。
本实施例产生了图5-7中所示的结构，该结构包括至少一个电压岛10和该电压岛内的电源开关11的模式。模式11根据可用区域(每个电源开关能够向其提供电源)的大小来平衡电源开关。电源总线MX-1、MX-2与电源开关11相连。如以上说明的，电源开关11的大小被与将由电源总线MX提供的电流和电压相匹配。每个电源开关能够向其提供电源的可用区域的大小取决于电源开关的大小和电源总线宽度。因此，较大的电源开关比较小的电源开关具有更大的可用区域。如上所示，电源开关的数量等于电压岛的面积除以可用区域的大小。
如图6和7所示，所述结构可以在电压岛内包括若干逻辑核心区域(尽管为清楚起见，仅示出了一个逻辑核心区域(60))。沿逻辑核心区域的周围放置电源开关(C，Ca)的一个子群。逻辑核心区域通常包括具有一对长边和一对短边的矩形。如以上说明的，沿逻辑核心区域的长边放置电源开关以便最小化各开关之间的距离。
因此，如上所示，所述实施例确定所需的电源开关单元的数量，并提供分析和布置技术以便最小化电源开关单元的数量。布置受电源总线设计和电路功耗的驱动。
进而，可以不均匀地分布电源开关单元，以便给定电压岛内的不同区域(具有不同的功率需求)能够被分别对待。更高密度的电源开关单元能够被置于更高功率密度的区域中。这将产生跨电压岛的电源开关单元的不均匀分布。在核心附近，布置仅沿两条相对边。在全部的图中，可以使用若干方案来在电压岛的局部区域中均匀分布电源开关单元，以便产生跨电压岛的不均匀分布。因此，这允许电压岛的每个区域被根据其特定需求来加以对待，由此仅在需要的地方利用电源开关单元。这最小化了设计中使用的电源开关单元的数量并且还减小了功耗。
权利要求
1.一种集成电路结构，所述结构包括至少一个电压岛；以及在所述电压岛内的电源开关的模式，其中所述模式根据每个所述电源开关能够向其提供电源的可用区域的大小来平衡所述电源开关，还包括与所述电源开关相连的电源总线，其中所述电源开关的大小被与将由所述电源总线提供的电流和电压相匹配。
2.根据权利要求1的结构，其中每个所述电源开关能够向其提供电源的可用区域的大小取决于所述电源开关的所述大小。
3.根据上述权利要求中任一权利要求的结构，其中电源开关的数量等于所述电压岛的面积除以可用区域的所述大小。
4.根据上述权利要求中任一权利要求的结构，进一步包括所述电压岛内的逻辑核心区域，其中沿逻辑核心区域的周围放置一组所述电源开关。
5.根据权利要求4的结构，其中所述逻辑核心区域包括具有一对长边和一对短边的矩形，并且其中沿所述逻辑核心区域的长边放置所述电源开关组。
6.一种在集成电路结构的电压岛中放置电源开关的方法，所述方法包括将所述电源开关的大小与提供电源给所述电压岛的一个或多个电源总线的宽度相匹配；以及根据每个所述电源开关的可用区域的大小将所述电源开关置于所述电压岛内。
7.根据权利要求6的方法，其中所述匹配步骤将所述电源开关的所述大小与将由所述电源总线提供的电流和电压相匹配。
8.根据权利要求6或7的方法，其中所述放置过程包括沿所述电压岛内的逻辑核心区域的周围分配一组所述电源开关。
9.根据权利要求6、7或8的方法，其中所述逻辑核心区域包括具有一对长边和一对短边的矩形，并且其中所述分配所述电源开关组沿所述逻辑核心区域的长边来放置所述电源开关组。
全文摘要
一种集成电路结构，所述结构具有至少一个电压岛和该电压岛内的电源开关的模式。所述模式根据每个所述电源开关能够向其提供电源的可用区域的大小来确定所述电源开关的数目(并均匀分隔所述电源开关)。所述电源开关的大小被与将由电源总线提供的电流和电压相匹配。每个所述电源开关能够向其提供电源的可用区域的大小取决于所述电源开关的大小。
文档编号H01LGK1723561SQ200480001681
公开日2006年1月18日 申请日期2004年2月4日 优先权日2003年2月10日
发明者P·比费, J·科恩, K·格罗塞芬格, S·利希滕斯泰格, W·史密斯 申请人:国际商业机器公司