多电压与扫描链技术在芯片设计中的应用研究

针对芯片中功耗高、测试成本较高的问题，福州大学物理与信息工程学院的研究人员向韬鑫、王仁平、刘东明、陈荣林，在2020年第6期《电气技术》杂志上撰文，以一款乘加器为例，该乘加器可以切换在乘、加、乘加3种工作状态。在芯片设计过程中，利用统一标准格式技术实现多电压设计达到低功耗的效果，利用扫描链技术，完成可测试性设计，降低芯片的测试成本，并解决了两种技术的兼容性问题。

5G通信和物联网时代即将到来，各类芯片不断高性能化，设计规模也不断变大。而近年逐渐失效的摩尔定理，很难使芯片的价格和工艺尺寸同时减小，因此在实现高性能的同时，节约功耗和降低生产成本越来越受关注。对于数字信号处理芯片，乘、加、乘加算法都是其较为常见的运算模块，将3种算法整合在一起，并使其可以自由切换工作状态，能较大地节省面积成本。

除此之外，低功耗技术设计和可测试性设计（desgin for test, DFT）技术也可以降低芯片功耗成本和测试成本。利用统一标准格式（unified power format, UPF）实现多电压技术。根据不同模块性能需求，在芯片内划分不同的电压域（power domain）进行分割处理，实现低功耗设计。

而DFT中的扫描链技术（scan chain）可以在短时间内检查芯片内部各寄存器的好坏，早一步将因工艺缺陷和尘埃附着的损坏芯片在裸片阶段检测出来，可以防止损坏的芯片流入下一阶段的设计中而造成更大损失。

1  电路设计

1.1  电路逻辑设计

加、乘、乘加是数字处理芯片常见的3种算法，但芯片内3种算法都在满负荷同时工作的状态中的情况并不多见，因此在芯片中插入一些可切换状态，并整合了3种功能的乘加器，随芯片的工作需要，调整芯片的工作状态，可以节省面积。

本设计中以二输入的mode信号作为控制信号，mode信号通过控制数据选择器，来控制在各模块输入和顶层输出端的采样，最终来控制乘加器工作状态，如图1所示。

输入mode分别在00、01、10、11时，乘加器分别切换到乘、加、乘加、关闭的工作状态。除此之外mode信号还控制着电源控制模块的状态，完成多电压控制。乘加器设计在200M频率下工作，在SMIC55nm工艺下，不同设计方案的模块综合面积见表1。其中分散模块指3种运算模块分开设计，并同时存在于设计中。

图1  多状态乘加器结构图

表1  不同设计方案的综合面积比较

本次设计的32位乘加器共分为4个步骤：

1）编写Verilog语言及Testbech完成电路逻辑设计实现仿真。

2）利用Synopsys的逻辑综合（design compiler, DC）的拓补模式将寄存器传输级（register transfer level, RTL）verilog代码转换为门级电路，同时插入UPF和scan chain分别对乘加器的电压供电情况和扫描链进行描述，并利用TetraMAX生成测试向量。

3）利用Synopsy的集成电路布局布线工具（integrated circuit compiler, ICC），最终生成GDS格式的版图。

4）利用Primerail对生成的版图进行功耗测试。

1.2  多电压综合

多电压设计，利用了UPF，其现在已经成为IEEE- 1801标准且为国际三大电子设计自动化（electro- nics design automation, EDA）厂商均支持的标准。在此使用UPF技术描述设计电路的电压工作状态，分别降低动态和静态功耗：

1）降低动态功耗

将需要资源需求较大的乘法划为高电压的电压域PDM，将在对于资源要求一般的加法器划为低电压的电压域PDA，其余模块会被EDA工具默认置入顶层模块所在低电压的PDT电压域，使不同性能需求的模块分别在高低电压下工作，从而降低动态功耗（dynamic power）。由于PDT和PDM的电压不同，因此还需对它们之间的输入输出信号插入电平转换单元（level-shifter），如图2所示。动态功耗的主要消耗为开关功耗。

公式1

图2  乘加器模块电压域图

2）降低静态功耗

要降低静态功耗可以在模块处于非工作状态时对其进行关断。这里需要插入和替换各种多电压器件：①电源开关将电压域的主电源关闭或打开；②保留寄存器可以在主电源关闭时以备用电源供电，以保留断电之前的数据；③隔离单元用于将关闭的电压域的数据进行稳定输出，防止不定态输出。

在RTL设计中电源控制模块控制着他们的工作状态，如图2所示，虚框内为电源控制模块。当一个模块要关断时，sr_crtl信号会先将保留寄存器切换至save状态以保存住这些寄存器的现时数据，并随后sw_crtl信号关闭电源开关，iso_crtl信号打开隔离单元承担数据的输出。

若要重新打开一个电压域，其保留寄存器要在电源开关开启后换至restore状态，读取断电前被保存的数据。最终，乘加器模块通过合理地开关各电压阈最终达到降低静态功耗（leakage power）的目的。

公式 2

设计好各电压域工作状态后，还需建立电源状态表定义不同状态的各电压域工作电压，见表2，本次设计采用了多角多模（multi corner multi mode, MCMM）模型，为了验证不同电压下的工作情况，除了表中标出的电压外，还添加了上下两个相差10%的电压，以确保芯片在这些不同电压下均可以正常工作。

表2  乘加器电源状态表

1.3  电源控制模块封装扫描

扫描链测试的扫描方法实际上就是将各触发器加上一个数据选择器，使其拥有两个模式。第一个为正常模式，在正常模式下，所有的寄存器如同往常一样工作。另一种为扫描测试模式，实质上就是将触发器连接成多个移位寄存器，称为扫描寄存器。

在测试模式下，扫描时钟控制扫描寄存器，捕获输出信号后比对数据以检测寄存器是否正常工作，这样较大节省了测试时间和成本。

但与普通的可测试性设计不同，因为多电压设计中含有普通设计中没有的隔离单元，保留寄存器，电源开关，它们的工作状态均受信号的控制。但在扫描模式下，所有的寄存器的输出值均是由扫描信号扫描输入的，而与其在功能模式下正常工作不同，受控的保留寄存器和隔离单元会产生信号错乱，这些错误的信号控制着这些多电压器件工作状态，最终导致整个芯片在扫描模式下全部混乱。

因此在扫描链设计时，电源控制模块的扫描链需要单独设计。在此对两种不同的信号控制方法，一种外部输入并直接控制，另一种为信号控制模块在芯片内部，对二者扫描链设计有两种不同的设计方案。

1）信号由外部输入时

可以将外部输入的多电压控制信号设置为Constant模式，将信号固定在0或1值，这样就使各种多电压等在DFT测试阶段均不做信号改变的动作，再按常规步骤对剩余电路进行扫描链设计。

2）电源控制模组在芯片内部

如本设计，若电源控制模组在芯片内部时，如果将其模块的控制信号输出值固定，这样虽然不会打乱受控多电压器件的工作状态，但是也无法对电源控制模组进行扫描测试。因此需要将内部的电源控制模块单独封装为一个封装扫描链，进行测试，如图3所示。

图3  电源控制模块封装扫描链设计图

其原理其实就是将电源控制模块的输出部分封装，并与芯片内其余的扫描链分开，形成一条单独的扫描链，并且此扫描链的时钟也不是其余扫描链模块共用的扫描时钟，而是一个单独时钟shift_clk，并由update_clk和override信号的组合控制使其控制的多电压器件可以正常工作。最终实现对整个芯片各个模块的测试覆盖，并且不会产生信号混乱的问题。

但这条特殊的扫描链不能与其余扫描链压缩在一起，所以需要单独的扫描IO端口。但对于乘加器模块来说，其IO端口多达几十个，在扫描模式中，不用从功能模块的IO端口中输入输出。因此在扫描链设计时，各种额外的端口可以借用功能模式下的IO端口，利用一个数据选择器进行复用，这样可以节省IO端口的使用，从而也可以节省芯片的面积。

使用TetraMAX软件，对插入扫描链后的电路进行自动测试向量生成。运行结果表明，扫描测试的测试覆盖率为96.8%，满足设计要求。生成的测试向量将在芯片生产后供测试使用。

1.4  物理设计

将插入综合好的verilog、UPF、scan_def和sdc格式的文件分别读入ICC后，对其进行数字版图设计。在整体布局上，由左输入，由右输出，输出数据先经顶层模块到乘法器模块，再连接加法器模块，最后由输出端口输出。

除了常规的数字版图流程外，还要创建voltage area与在UPF定义的power domain的对应。前者是在物理设计中真实存在的电压区域，需要定义大小、高度、位置，而后者则仅仅是对其电压模块的逻辑电压定义。

在此voltage的区域与乘法器模块区域完全重叠。多电压器件的电源开关也要在物理设计确定具体的位置，而不是由工具自动摆放，因此要确保需要关断的电压域PDA和PDM内每个标准单元的主供电电源都连接到电源开关。

乘加器模块的供电方式采用了电源环外围供电与电源网格供电，供电电压分别为高（1.1～1.32V）、低（0.9～1.08V）、地（0V）3个电压，其中乘法器模块工作在高电压的工作模式下，整体布局图如图4所示。再经自动布局布线（place and route, P&R）过程后最终生成GDS版图。

图4  多状态乘加器物理设计布局图

2  功耗分析

乘加器设计在200M频率下工作，乘法器工作在1.08V，加法器工作在0.9V时，利用Primerail工具进行评估，并调用SMIC55nm工艺库标准单元，其布局后功耗见表3。

表3  不同模式功耗消耗

由表3可见，在多电压设计下，芯片运行在全负荷的乘加模式仍比单电压设计节省功耗8.0%，除此外，多电压设计还可以根据需要对不同模块按需进行开启和关断，更彻底地降低功耗。

3  结论

本文简述了多电压设计与扫描链设计在一个可以切换工作状态的32×32乘加器设计同时应用的方案。该方案结合了UPF和scan chain技术的概念及使用。

前者可以对不需要工作的模块进行电源关断降低静态功耗，及将不同性能的模块分高低电压处理降低动态功耗；后者可以实现在裸片时对芯片进行测试验证其好坏。两种技术可以在牺牲较小的面积的前提下同时实现。