一种面向超宽电压的在线监测单元及其控制电路的制作方法与工艺

本发明涉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：
随着集成电路技术的飞速发展，先进制造工艺步入纳米时代，SoC(SystemonChip)芯片的功能越来越强大，高性能和低功耗始终是两大追求目标，而这两个指标又是互相牵制的，单纯追求低功耗会导致性能的巨大恶化。研究发现，先进工艺下电路的最低能耗点一般处于亚阈值区，而电路的最高能效则处于近阈值区，电源电压从常压区(又称超阈值区，STC)下降到近阈值直至亚阈值时，电路延时持续增加，至近阈值和亚阈值区时呈现指数下降，而能效则呈现先增后减的趋势，其中近阈值区能效最好。为了能够同时兼顾能效和性能需求，宽电压范围(Widevoltagerange)电路得到了广泛关注，它通常涵盖近/亚阈值区至常规电压区，可以在宽电压范围内进行切换，以便在满足芯片不同负载下的高性能或高能效需求。然而，近阈值宽电压SoC电路目前仍然存在重要的未解决问题：在常规电压区，由于工艺尺寸的的持续缩小引发的PVT(Process,Voltage,Temperature)偏差问题，导致传统的VLSI设计中需要预留一定的时序余量以满足最坏情况下的时序约束。然而，进入近阈值电压区，PVT偏差对电路延时的影响更大，导致实际电路除了由于电压下降本身带来的性能降低(一般为常规电压的1/10)外，路径延时的偏差也成倍增加。从而在近阈值宽电压的设计中需要预留较传统设计更大的时序余量来应对近阈值下的时序偏差问题，而这些时序余量会导致电路的工作电压或频率过于保守，甚至抵消宽电压带来的能效收益。在线监测技术可以利用片上监控单元监测关键路径时序，并实时调节芯片的电压、频率，成为攻克宽电压设计瓶颈的有力手段。在线时序监测技术主要可以分为出错改错型和时序预测型两类。其中，时序错误预测型监测单元由于不需要额外增加系统级的恢复机制而具有优势，通过在关键的数据路径上人为的添加额外的延迟，来预测电路可能的时序紧张，从而可以提前进行电压、频率调节，防止真正出错引入的恢复开销。在面向超宽电压调节时，由于低电压下延时变化受到各种偏差的影响更大，普通的在线监测单元面临着无法覆盖住偏差的问题。此外，由于低电压下各种更大的偏差导致监测单元的监测窗口需要预留得更大，这样会使普通的监测单元在设计时会加入更多的延时单元来确保监测窗口足够大，这就会导致更多的面积和功耗开销，从而降低在线时序监测技术的收益。因此，设计更小面积、更低功耗的在线监测单元十分必要。

技术实现要素：
发明目的：针对上述宽电压集成电路的基于在线时序监测的自适应电压调节系统的监测单元所存在的问题和不足，本发明的目的是设计一种超宽电压下能够有效监测电路时序的监测单元，相比普通监测单元，其面积更小，功耗更低，为此本发明还针对此监测单元提供了一种控制电路从而更加有效的实现在线时序监测。技术方案为了实现上述发明目的，本发明设计了一种面向超宽电压的新型在线监测单元及其控制电路。监测单元的作用是监测关键路径末端寄存器的数据传输情况，当电路时序紧张时，数据会在靠近时钟上升沿时才到达，甚至在上升沿之后到达而引发时序错误，通过监测关键路径末端寄存器在时钟高电平期间的数据跳变情况来确定电路的时序是否紧张，当在时钟高电平期间数据发生跳变，监测单元发出的错误预测信号为高电平。该在线监测单元相比于传统监测单元，设计了一种数据跳变监测器，将传统监测单元的原触发器替换成锁存器，由其控制电路实现监测单元错误预测信号的处理和控制。所述的在线监测单元的输入信号为时钟信号CLK和数据输入信号Din，输出信号为数据输出信号Q和错误预测信号Pre_error，数据输入信号连接到锁存器和数据跳变监测器的数据输入端，时钟输入信号连接到锁存器和数据跳变监测器的时钟输入端，锁存器的输出作为监测单元的数据输出，数据跳变监测器的输出作为输出的错误预测信号。所述的在线监测单元的数据跳变监测器由5个NMOS管、3个PMOS管和3个反相器构成，其中，时钟信号CLK与PMOS管MP1的栅极连接，PMOS管MP1的源极与电源VDD相连，PMOS管MP1的漏极与PMOS管MP2的源极、PMOS管MP3的源极、NMOS管MN1的漏极、NMOS管MN4的漏极相连，同时还连接到反相器INV1的输入端；数据输入信号Din与PMOS管MP2和NMOS管MN2的栅极相连，同时连接到反相器INV2的输入端，PMOS管MP2的漏极与NMOS管MN1的源极以及NMOS管MN2的漏极相连，同时与PMOS管MP3和NMOS管MN3的栅极连接，PMOS管MP3的漏极与NMOS管MN3的漏极相连，还与NMOS管MN4的栅极相连，同时连接到反相器INV3的输入端，NMOS管MN4的源极与NMOS管MN5的漏极相连；NMOS管MN2、NMOS管MN3、NMOS管MN5的源极与地相连；反相器INV3的输出与NMOS管MN1的栅极相连，反相器INV2的输出与NMOS管MN5的栅极相连，反相器INV1、反相器INV2和反相器INV3的电源电压为电源VDD，反相器INV1的输出即为错误预测信号Pre_error。所述的超宽电压下在线监测单元的控制电路，主要由三部分组成：N输入的动态或门、信号采集模块、控制信号产生模块。所述N输入动态或门实时收集N(N<＝10)条关键路径末端的监测单元产生的N个错误预测(Pre_error01至Pre_errorN)信号，并对它进行“或”操作，当N>10时则需要多个N输入动态或门进行多级“或”操作，最终产生一个总错误预测信号(Or_error)传输给信号采集模块，信号采集模块采集到N输入动态或门传输来的总错误预测信号，将它输送给下一级电路。当控制信号产生模块收到总错误预测信号(Or_error)时，立即产生相应的控制开关信号(irstn)并反馈给N输入动态或门，用于控制N输入动态或门。当irstn为1时，N输入动态或门打开，实时执行“或”操作，当irstn为0时，N输入动态或门关闭，始终输出低电平。N输入动态或门由2个PMOS、N+1个NMOS和一个反相器组成，其中，NMOS管M1至NMOS管MN的栅极分别与N个错误预测信号(Pre_error01～Pre_errorN)相连，NMOS管M1至NMOS管MN的源极与NMOS管M0的漏极相连，NMOS管M0的源极与地VSS连接，NMOS管M0的栅极与控制开关信号(irstn)相连；NMOS管M1至NMOS管MN的漏极(V0)与PMOS管MP0、PMOS管MP4的漏极(V0)连接，同时漏极(V0)作为反相器INV的输入，电源VDD与PMOS管MP0和PMOS管MP4的源极连接，PMOS管MP4的栅极与控制开关信号(irstn)连接；反相器(INV)的输出与PMOS管MP0的栅极连接，反相器INV的输出即为总错误预测信号(Or_error)。信号采集模块主要由一个带复位端的下降沿采样触发器构成，触发器(DFF1)的时钟输入信号为系统时钟信号，复位输入信号为系统复位信号，数据输入为动态或门的输出信号(Or_error)，触发器(DFF1)的输出为总错误预测信号的采样信号(Err)，最终输出给下一级电路。控制信号产生模块由一个带复位端的下降沿采样触发器和一个反相器组成，动态或门的输出信号(Or_error)经过一级反相器，反相器的输出作为触发器(DFF2)的数据输入，触发器(DFF2)的时钟输入信号为系统时钟信号，复位输入信号为系统复位信号，触发器(DFF2)的输出即为N输入动态或门的控制开关信号(irstn)。有益效果：相较于普通在线监测单元，本发明无需预留延时单元，同时将普通在线监测单元中的原触发器替换成锁存器，再通过设计比普通在线监测单元中的影子锁存器晶体管数更少的数据跳变监测器，最终能够很大程度减少在线监测单元的面积和功耗，从而提高在线监测技术的能效收益。此外，在面向超宽电压工作范围时，由于本发明采用了锁存器的方式，借助锁存器的时间借用(Timeborrowing)特性，能够抵抗PVT偏差导致的电路时序出错，从而实现时序余量的最小化，保证较高的功耗收益。附图说明图1为监测单元结构图图2为控制电路结构图图3为N输入动态或门结构图图4为在线监测单元及其控制电路应用于时钟门控电路系统图图5为常规电压下监测单元及其控制电路整体调节的效果图图6为低电压下监测单元及其控制电路整体调节的效果图具体实施方式下面结合附图说明对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。如图1所示，面向超宽电压的在线监测单元主要包括：一个锁存器、一个数据跳变监测器。当输入信号Din到达时间较晚，已经超过下一个时钟周期的上升沿时，由于原触发器已经替换成锁存器，而锁存器具有时间借用的特性，所以即使数据已经晚于时钟上升沿到达，正确的数据仍然可以通过锁存器传给下一级触发器，因此时序仍然没有违规。因此在线监测单元还可以抵抗由于PVT偏差导致的时序出错。对于数据跳变监测器，当时钟信号CLK为低电平时，PMOS管(MP1)导通，其漏极(VVDD)被电源充电至高电平，经过反相器(INV1)反相之后输出低电平；当时钟信号CLK为高电平时，PMOS管(MP1)关断，此时：(1)当数据信号Din保持“0”时，MOS管MP3、MN3的栅极(V1)为“1”，漏极(V2)为“0”，反相器INV3的输出(V3)为“1”，此时当数据信号Din从“0”跳变至“1”时，PMOS管MP2逐渐关断，NMOS管MN2逐渐导通，此时由于反相器INV3的输出(V3)为高电平，NMOS管MN1导通，这样将形成一个PMOS管MP1的漏极(VVDD)经过MOS管MP2、MN1、MN2至地VSS放电的一个通路，其储存的电荷将被释放，MOS管MP3、MN3的栅极(V1)上储存的电荷也将会经由上述通路被释放至0，由于此时PMOS管MP3的源极(VVDD)没有电荷，因此其漏极(V2)则因无法充电而一直保持低电平，因此反相器INV3的输出(V3)仍保持为高电平，最终PMOS管MP1漏极储存的电荷被完全释放，经过反相器INV1反相输出(Pre_error)将跳变为高电平；(2)当数据信号Din保持“1”时，PMOS管MP2关断，MOS管MP3、MN3的栅极(V1)为“0”，漏极(V2)为“1”，反相器INV3的输出(V3)为“0”，NMOS管MN1关断，此时当数据信号Din从“1”跳变至“0”时，其经由反相器INV2反相后输出DN从“0”跳变至“1”，NMOS管MN5逐渐导通，由于此时PMOS管MP3的漏极(V2)为“1”，NMOS管MN4导通，这样将PMOS管MP1的漏极(VVDD)经过NMOS管MN4、MN5放电的一个通路，而此时PMOS管MP3导通，其漏极(V2)上储存的电荷也会转移一部分给其源极(VVDD)，但是由于PMOS管具有阈值损失的特性，漏极(V2)上时钟会保留一部分电荷，这部分电荷可用来开启NMOS管MN4，最终使得PMOS管MP1漏极上储存的电荷将逐渐被完全释放，经过反相器INV1反相输出(Pre_error)将跳变为高电平；因此数据跳变监测器在时钟高电平时监测到输入信号的跳变，输出的错误预测信号为高电平。所以可以通过监测时钟高电平期间的数据跳变情况来确定数据是否晚到达,当在高电平期间数据发生跳变，在线监测单元发出的错误预测信号为高电平。图2所示的在线监测单元的控制电路，主要由三部分组成：N输入的动态或门、信号采集模块、控制信号产生模块。其中N输入动态或门实时收集监测单元产生的多个错误预测(Pre_error01至Pre_errorN)信号，并将它进行“或”操作后产生的总错误预测信号(Or_error)传输给信号采集模块，信号采集模块采集到N输入动态或门传输来的总错误预测信号，将它输送给下一级电路。当控制信号产生模块接收到N输入动态或门传输来的总错误预测信号(Or_error)为高电平时，立即产生低电平的控制开关信号(irstn)并反馈给N输入动态或门，用于开关N输入动态或门：当控制信号产生模块接收到N输入动态或门传输来的信号(Or_error)为低电平时，输出的控制开关信号(irstn)为高电平。图3所示的N输入动态或门，当控制开关信号(irstn)为低电平时，PMOS管MP4导通，其漏极(V0)被充电至高电平，经过反相器(INV)反相后输出低电平，N输入动态或门的输出为低电平，此时相当于N输入动态或门被关闭；当控制开关信号(irstn)为高电平时，PMOS管MP4关断，NMOS管M0导通，此时当错误预测信号Pre_error01至Pre_errorN中任何一个信号为高电平，其对应的NMOS管将导通，使得漏极(V0)上的电荷被释放至0，经过反相器(INV)反相后输出高电平，N输入动态或门输出保持高电平，直到控制开关信号(irstn)置“0”，此时相当于N输入动态“或”打开，并实现了“或”的逻辑功能。将在线监测单元及其控制电路与时钟门控技术相结合，当门控时钟模块接收到在线监测单元及其控制电路输出的错误预测信号时，将对时钟进行关闭一个周期的操作，以防止时间借用持续发生，从而保证系统时序的正确性。其结构框图如图4所示，在线监测单元插入到n条筛选好的关键路径末端，通常n>＝N，产生的n个错误预测信号(pre_error01～pre_errorn)接入到多个N输入动态或门(若n<＝N则仅需一个N输入动态或门)，多个N输入动态或门的输出再连接到普通或门，最终输出一个总错误预测信号(Or_error)，随后输送给错误预测信号采集模块和控制信号产生模块。当电路时序紧张时，数据在时钟上升沿之后通过关键路径到达在线监测单元，在线监测单元监测到晚到的数据，立即发出错误预测信号，通过N输入动态或门和错误预测信号采集模块，最终输入到时钟门控模块，时钟门控模块接收到采样后错误预测信号，立即对系统时钟CLK进行门控处理，即将时钟关闭一个周期，输出门控后的时钟GCLK，等待数据正确传输后再恢复，从而确保系统时序正确。一个具体案例面向超宽电压的在线监测单元及其控制电路的一个具体实施案例中，将这套系统与时钟门控技术相结合，设计了一个电路系统。本设计采用的N输入动态或门的输入数为10，基于SMIC40nm工艺库，其工艺角为TT，温度为25摄氏度。图5所示的是1.1V常规电压下监测单元及其控制电路整体调节图，图中，clk为系统时钟信号，Din为数据输入信号，gclk为经过门控时钟技术处理过的时钟信号，error01为在线监测单元输出的错误预测信号，irstn为控制信号产生模块生成的控制开关信号，Or_error为经过10输入动态或门处理的错误预测信号，Err为采样模块采样后的错误预测信号。由图可知，在时钟低电平期间发生的数据Din的跳变，在线监测单元输出的错误预测信号为“0”，而在时钟高电平期间发生数据Din的“0”到“1”跳变或“1”到“0”跳变，在线监测单元输出的错误预测信号为“1”，随后10输入动态或门进行“或”操作后输出“1”，信号采样模块采样到错误预测输出给下一级电路，控制信号产生模块采样到错误预测信号以后输出的控制开关信号为“0”，随后10输入动态或门的输出置“0”，门控时钟模块采样到错误预测信号，为了避免时间借用的传递，采取关闭时钟一个周期的操作，从而完成整个电路的控制。图6所示的是0.6V低电压下监测单元及其控制电路整体调节图，在线监测技术结合时钟门控技术，本设计采用N输入动态或门的输入数为10，采用的是SMIC40nm工艺库，其工艺角为SS，温度为25摄氏度。与图5类似，系统的功能在0.6V下仍然完成地很好，当数据在时钟高电平期间跳变时，在线监测单元输出高电平的错误预测信号，10输入动态或门接收到该信号并传输给下一级的信号采样模块、控制信号产生模块、门控时钟模块，最终实现一整套控制。从图5图6可以看出，本发明应用于实际预测性片上监测技术中，结合门控时钟技术，能够根据电路的实际工作情况进行时钟调节，从而保证在电路功能正确的情况尽可能降低时序余量，从而降低功耗。