UPF란, (Unified Power Format) IEEE 1801, 저전력 반도체 설계 방법 in vlsi

수십년 전의 반도체는 “기능 동작”만 하면 성공이었는데,

요즘 반도체는 “속도도 빨라야하고, 작아야하고, 저전력이여야하고, 수율도 좋아야”합니다.

UPF란, “반도체의 효율적인 전력 설계/검증/구현”을 위해 사용하는 방법론 혹은 언어라고 보시면 됩니다. IEEE Standard로, IEEE 1801에 있습니다.

디지털 논리 설계는 보통 “HDL”로 만듭니다.

아래처럼 input A, B

output은 Cout, S로 두고~~ 어떤 “논리회로”를 연결한다고 표현이 되어있죠.

HDL은 정말 논리 설계를 위한 언어에요. 이거로도 전력 최적화 회로를 설계 할 수 있지만, 제한이 많습니다. 초기에는 HDL만으로 설계를 했으니까요.

그래서 반도체 엔지니어들은 “전력에 대한 설계”를 작성 할 수 있는 방법이 필요했습니다.

다음은 논리설계/검증/구현 중에 UPF가 사용되는 위치를 보여주는 EDA flow입니다. (UPF Flow라고 검색하시면 각 EDA Tool vendor에서 더 자세한 흐름을 보여줍니다. 저는 가장 간단한 것을 갖고왔어요.)

(참고로 설계는 논리 회로 설계를 말하는거고, 구현은 논리회로를 물리적 회로로 변환하는 흐름을 뜻합니다)

UPF Flow

그래서 UPF가 전력 설계를 할 수 있는데, 전력 설계가 뭐냐면,

Power domain은 별도의 Power/Ground Network입니다.

(1) 어떤 Power가 어떤 부분을 제어할지?

(2) 그 Power는 어떤 값을 갖고있고, 어떤 속성을 갖는지?

(3) 만약에 내 Design을 먼저 구현하고, 상위 디자인에서 내 디자인을 사용하는 경우, 이 디자인에 어떤 속성을 상위 디자인에 알려줘야하는지?

요즘 칩들은 모드가 다양해요. 게임 할 때는 고성능 모드, 대기상태에선 저전력모드로 변환이 되죠.

설계에서 이런 모드를 만들어놓았기에 가능한거죠.

(1) 어떤 부분은 게임 할 때만 전력 공급이 필요

(2) 어떤 부분은 대기 상태일 때는 낮은 전력 공급

낮은 전압으로 동작하는 로직에서, 높은 전압으로 동작하는 로직으로 데이터를 보낼 때 voltage swing이 다르기 때문에 일반적으론 정상동작하지 않습니다. 그렇기 때문에 이런 전압차이가 발생하는걸 어디서 케어해줄 것인지 정의가 필요합니다.

Level shifter 같은 추가 로직이 필요합니다.

특정 모드에선 아예 전력을 차단해버리는 모듈이 있을 수 있습니다.

하지만 마지막에 담고있는 데이터는 그 모듈에 그대로 갖고 있을 경우도 있겠죠? 이런 것들에 대한 정의가 필요합니다.

이런 경우를 위해 Isolation cell, retention cell들이 필요합니다.

UPF는 단순한 이론적인 프레임워크가 아닙니다. EDA Tool과 완벽하게 통합되어 SoC Flow 전반에 걸쳐 전력 의도가 일관되게 전달되도록 보장합니다. IEEE Standard라는게 중요합니다. 업계 표준이에요.

UPF Flow 진행 시 아래 과정에서 사용 될 수 있습니다.

Logic Synthesis : UPF는 지정된 전력 의도, 전압 레벨 및 전력 모드를 준수하면서 설계를 최적화하도록 합성 도구를 안내합니다.

Place & Route: 배치 및 경로 중에

UPF는 RTL 설계/검증 단계부터 GDS를 뽑을 때까지 계속 사용이 되는데요.

같은 UPF File로 RTL 설계 / Logic Synthesis / Place & Route 하는 방법이 있구,

RTL단계에서 UPF를 만들고 설계/검증,

그 UPF를 Logic Syntheis 단계에 입력 후 EDA Tool을 통해 UPF’를 출력하고 설계/구현/검증,

그 UPF’를 P&R 단계에 EDA Tool을 통해 UPF’‘를 뽑아 설계/구현/검증

하는 flow도 있습니다.

create_power_domain -name PD_CORE -ports {VDD VSS}

이런식으로 Power domain을 선언하고~~ 각종 전력 설계를 정의합니다.

SDC랑도 비슷한 점이 일부 있습니다. 자세한 command들은 ieee에서 확인하시면 됩니다~~