一种面向超宽电压的在线监测单元及其控制电路制造技术

本发明专利技术公开了一种面向超宽电压的新型在线监测单元及其控制电路，相较于普通在线监测单元，本发明专利技术无需预留延时单元，将普通在线监测单元中的原触发器替换成锁存器，还设计了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，由于本发明专利技术采用了锁存器的方式，借助锁存器的时间借用特性，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。最后，还公开一种与在线监控单元相配合的控制电路，从而较好地实现在线监测单元错误预测信号的处理和传递。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路设计低功耗
，尤其是基于在线时序监测的自适应电压频率调节

技术介绍
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(System on Chip)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(Wide voltage range)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。
技术实现思路
专利技术目的：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，本专利技术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，为此本专利技术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专利技术目的，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽电压下工作的在线监测单元，其特征在于由一个锁存器、一个数据跳变监测器构成；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（Din）连接到锁存器和数据跳变监测器的数据输入端，时钟信号（CLK）连接到锁存器和数据跳变监测器的时钟输入端，锁存器的输出为数据输出信号（Q），数据跳变监测器的输出为错误预测信号（Pre_error）；所述数据跳变监测器由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）。...

【技术特征摘要】
1.一种超宽电压下工作的在线监测单元，其特征在于由一个锁存器、一个数据跳变监测器构成；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（Din）连接到锁存器和数据跳变监测器的数据输入端，时钟信号（CLK）连接到锁存器和数据跳变监测器的时钟输入端，锁存器的输出为数据输出信号（Q），数据跳变监测器的输出为错误预测信号（Pre_error）；所述数据跳变监测器由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）。2.一种超宽电压下在线监测单元的控制电路，主要包括三部分：N输入动态或门、信号采集模块、控制信号产生模块，其特征在于：所述N输入动态或门实时收集N条关键路径末端的监测单元产生的N个错误预测信号（Pre_error01~Pre_errorN）并进行或操作...

【专利技术属性】
技术研发人员：单伟伟，戴文韬，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32