Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
50
DIANA Lab Report
Korea University
DIsplay AndNanosystem Lab.
Special Report
2021 ์ฐ์ฌ ์์
1ํ. ์ฐจ์ธ๋ ๋ฉ๋ชจ๋ฆฌ MRAM๊ณผ MTJ ํน์ฑ ๊ณ์ธกํ๊ธฐ
2ํ. ์ฐจ์ธ๋ ํ์์ ์ง ๊ธฐ์ ์ธ ํ๋ก๋ธ์ค์นด์ดํธ ํ์์ ์ง
3ํ. ์คํ ์์ ๊ธฐ์
4ํ. ๋ด๋ก๋ชจํฝ ์์ ๊ธฐ์
5ํ. Medical OLED ๊ธฐ์ ๋ํฅ ๋ถ์
6ํ. ์ ์ ๋ ฅ IC ๊ธฐ์ ๋ํฅ ๋ถ์7ํ. 3์ฐจ์ ๋๋ ธ๊ตฌ์กฐ์ ์ ๊ธฐํํ ์๋์ง ๋ถ์ผ ์์ฉ
8ํ. ํ ๋ผํค๋ฅด์ธ ๊ธฐ์
์๋ก
๊ฐ์ข IT๊ธฐ๊ธฐ๋ค์ ๊ธฐ๋ฅ๋ค์ด ์ ์ ๋ค์ํ ๋๊ณ ๊ณ ์ฑ๋ฅํ ๋์ด
๊ฐ๋ฉด์ ์ ๋ ฅ์๋ชจ๊ฐ ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐํ๋ ๋ฌธ์ ๊ฐ ๋ฐ์ํ๊ณ ์์ด ํ์
๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ฉ๋ ๋ด์์ ์ฌ์ฉ์๊ฐ์ ๊ฐ์ ํ์ฌ ํ๋ ์ ์ ๋ ฅ IC
์ค๊ณ๊ฐ ์ค์ํ ์์๊ฐ ๋์๋ค.
์ ์ ๋ ฅ IC์ ๋ํ ์๊ตฌ๋ ํด๋์ฉ ์ ํ๋ฆฌ์ผ์ด์ ์๋ง ๊ตญํ๋
์ง๋ ์๋๋ค. ๋น์ฉ ๊ฒฝ์์ด ๋งค์ฐ ์ฌ๊ฐํ ์๋น์ ์ ํ๋ฆฌ์ผ์ด์ ์
์๋ ํจํค์ง ๋น์ฉ ์ ๊ฐ์ ์ํด ์ ์ ๋ ฅ์ด ํ์ํ๋ค. ๊ฐ๋น์ผ ์ธ
๋ผ๋ฏน ๋์ ๊ฐ์ผ ํ๋ผ์คํฑ ํจํค์ง๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ ์ ๋ ฅ ์๋น๋์ด
๋ฎ์์ผ๋ง ํ๋ค.
๋ํ ์ ๋ ฅ ์ต์ํ๋ ํ์ด-์๋ ๋ง์ดํฌ๋กํ๋ก์ธ์(High-
52
์ ์ ๋ ฅ IC ๊ธฐ์ ๋ํฅ ๋ถ์;๊ฒฝ์๋ ฅ ๋์ IC ๊ตฌํ์ ์ํ โIP ์ ์ ๋ ฅโ ์ค๊ณ
Special Report
์ต๊ทผ ๋ชจ๋ฐ์ผ ๊ธฐ๊ธฐ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ IT ๋ชจ๋ ๊ธฐ๊ธฐ๋ค์ ๊ณ ์ํ, ๋ค๊ธฐ๋ฅํ๋ก ์ธํ์ฌ ์ ์ ๋ ฅ IC๋ ์ ํ์ด ์๋๋ผ ํ์๊ฐ ๋์๋ค
๊ณ ํ ์ ์๋ค. ์ด๋ฌํ ์ค๊ณ ๋ ธ๋ ฅ๊ณผ ํจ๊ป Leakage Power๋ฅผ ๊ฐ์์ํค๊ธฐ ์ํด FD-SOI ๊ณต์ ์ ์ด์ฉํ IC ๊ฐ๋ฐ์ด ์งํ๋
๊ณ ์๋ค. leakage Power๋ฅผ ์ค์ด๊ธฐ ์ํด์๋ Power Gating์ ํ์ฉํ์ฌ ์ ๋ ฅ ์๋ชจ๋ฅผ ์ค์ผ ํ์๊ฐ ์๋ค.
๊ธ/ ๏ฟฝ๋๊ฒฝ์ (์ฃผ)Qualitas Semiconductor, ๊ณ ๋ ค๋ํ๊ต ๊ณตํ๋ํ์ ์ ๊ธฐ์ ์์ปดํจํฐ๊ณตํ๊ณผ๏ฟฝ์ฃผ๋ณ๊ถ ๊ณ ๋ ค๋ํ๊ต ์ ๊ธฐ์ ์๊ณตํ๋ถ ๊ต์ ์ฌ์ง ์ค
53
End Microprocessors)์ ์ ๋ขฐ์ฑ ํฅ์์ ์ํด ํ์ํ๋ค. ์ด
๋ฌํ VLSI์ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ ํ๊ธฐ ์ํด ์๋ ์ฃผํ์๊ฐ ์ฆ๊ฐํ์ฌ
โPower Dissipationโ์ด ์ฆ๊ฐํ๋ค. ์ด๋ ์์ด์ด(wire)์ ์ ์ ์ด
๋, MOS Transistor Hot Carrier Effect, Power Wire์ ์ํ IR
Drop, Ground bouncing ๋ฑ ์ ๋ขฐ์ฑ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ์ผ์ผํค๋ ๊ฒฝํฅ์ด
์๋ค. ์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ๋ค์ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํด ๊ณ ์ฑ๋ฅ์ ์ ์งํ๋ ์ ๋ ฅ
์ ๊ฐ ๊ธฐ์ ์ด ๊ฐํ๊ฒ ์๊ตฌ๋๋ค.
์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๋ชจ๋ ์ ์ ๊ธฐ๊ธฐ์ ์ ๋ ฅ ์๋ชจ๋ SoC๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๋
ํธ๋์ง์คํฐ ์์์ ์ ๋ ฅ ์๋ชจ๋ฅผ ์๋ฏธํ๋ฉฐ ์ ์ ๋ ฅ IC ๊ตฌํ์ ์
ํด์๋ ๊ณต์ ์์ ๊ธฐ์ ๊ณผ ํ๋ก ์์คํ ์์ ๋ค์ํ๊ณ ์ข ํฉ์ ์ธ
๊ณ ๋ ค๊ฐ ํ์ํ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 1์ ์ ์ฒด ์ ๋ ฅ๋ฐฉ์ ์๊ณผ ๊ฐ์ด ์ ์ ๋ ฅ IC์ค๊ณ๋ฅผ ์ํด์๋
๊ฐ ๋ฐฉ์ ์์ ์์๋ค์ ์ค์ด๋ ๊ฒ์ผ๋ก ํด๊ฒฐ์ด ๊ฐ๋ฅํ๋ค. ์ ๋ ฅ์
๋น๋ ํฌ๊ฒ Dynamic Power์ Static Power๋ก ๊ตฌ๋ถ์ด ๊ฐ๋ฅํ๋ค.
Dynamic Power๋ ํ๋ก๊ฐ ๋์ํ ๋ ์๋ชจ๋๋ Power๋ก
Switching ์ ๋ฅ ๋ฐ ๋์ํ๋ ๋์ PMOS์ NMOS๊ฐ ๋์์ ๋
์ํ ๋ ๋จ๋ฝ์ ๋ฅ์ ์ํด ์๋น๋๋ ์ ๋ ฅ์ด๋ค.
Static Power๋ ๋์ํ์ง ์์ ๋ ์ฆ ๋๋ฐ์ด์ค๋ โoffโ ๋์
์ผ๋, ์ ์์ด ์ผ์ ธ ์๋ Stand by ์ํ๋ฅผ ์๋ฏธํ๋ฉฐ ์ ์์ ์ผ
์ ธ ์์ง๋ง ์ ํธ๊ฐ ๋ฐ๋์ง ์์ ๋ Leakage Current์ ์ํด ๋ฐ
์ํ๋ ์๋น๋๋ ์ ๋ ฅ์ ์๋ฏธํ๋ค. ์ด๋ฌํ Leakage Current
๊ณต์ ์ด ๋ฏธ์ธํ ๋์ง ์์ ๋๋ ํฌ๊ฒ ๋ฌธ์ ๊ฐ ๋ฐ์ํ์ง ์์์ผ๋
์๋ ๊ทธ๋ฆผ 2์ ๊ฐ์ด ๊ณต์ ์ด ๋ฏธ์ธํ ๋์ด ๊ฐ๋ฉด์ ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐํ์ฌ
Static Power๋ 40nm ๋๋นํ์ฌ 20nm๋ ์ฝ 4๋ฐฐ ๊ฐ๋ ์ฆ๊ฐํ๊ฒ
๋์๋ค. ์ด๋ฌํ ๊ณต์ ์ ๋ฏธ์ธํ๊ฐ ๊ณ์ ์งํ๋๋ฉด ๋๋ฐ์ด์ค๊ฐ ๋
์ํ ๋ ๋ฐ์ํ๋ Dynamic Power๋ณด๋ค ๋๊ธฐ๋ชจ๋ ๋ ๋ฐ์ํ๋
Static power๋ฅผ ์ค์ด๋ ๊ฒ์ด ๋งค์ฐ ์ค์ํ๊ฒ ๋์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 2. Dynamic power - Static Power ๋ํฅ
์ ์ ๋ ฅ ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ผ๋ก๋ Power Gating, Multi-Voltage
Design, Multi-threshold Voltage, Clock Gating, DVFS ๋ฑ์ด ์๋ค.
์ ์ ๋ ฅ IC ๊ธฐ์
1. Power GatingPower Gating ๊ธฐ๋ฒ์ ๋์ํ์ง ์๋ ๊ตฌ๊ฐ(Stand by mode)์
์ Power Switch Cell (Header Cell)์ ์ด์ฉํ์ฌ block์ ๊ทธ๋ฆผ 3
๊ณผ ๊ฐ์ด ์ข ๋ฃ์์ผ๋ ๊ฒ์ ์๋ฏธํ๋ค. ๋ค์ ๋์์ด ํ์ํ ๊ตฌ๊ฐ์
์๋ Power Switch cell์ โonโ ์์ผ ๋ธ๋ก(block) ๋์์ํค๋ ๊ตฌ
์กฐ๋ก ๋ธ๋ก์ ์ ์์ ์์ ํ ์ฐจ๋จํ ์ ์๋ ๋ฐฉ์์ ์๋ฏธํ๋ค.
52
๋ชฉ ์ฐจ
์๋ก
์ ์ ๋ ฅ IC ๊ธฐ์ 1. Power Gating2. Clock Gating3. Threshold Voltage Design4. DVFS ๋ฐ ๋ค์ค ๋์์ ์ ๊ธฐ์ 5. Multi-voltage Design
๊ฒฐ๋ก
๊ทธ๋ฆผ 1. Power ๋ฐฉ์ ์ ๋ฐ ๊ตฌ์ฑ์์
Special Report
54
๊ทธ๋ฆผ 3. Power Gating Circuit
์ ์์ ์ฐจ๋จํ์ฌ ๋ธ๋ก์ด ๊บผ์ง ์๊ฐ ๋์ Dynamic Power
๋ฐ Static Power ๋ชจ๋ ์ ์ ํจ๊ณผ๋ฅผ ๊ฐ์ ธ์ฌ ์ ์๋ค. Power
Gating์ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๊ฐ์ฅ ์ ๊ทน์ ์ธ ์ ์ ๊ธฐ๋ฅ์ ์ ๊ณตํ๋ฏ๋ก,
๊ธฐ๋ฅ์ ์ ์งํ๋ฉด์ ๊ฐ๋ฅํ ์ฌ๋ฌ ๋ธ๋ก๋ค์ ์ ์์ ์ฐจ๋จํ๋ ๊ฒ
์ด ๊ฐ์ฅ ์ด์์ ์ธ ๋ชฉํ์ด๋ค. Power Gating์ผ๋ก ์ ์ ํจ๊ณผ๋ฅผ ๊ฐ
์ ธ์ค๊ธฐ ์ํด์๋ Power Switching Network์ PMU(Power
Management Unit), Retention cell, Isolation Cell์ด ํ์ํ๋ค.
A) Isolation Cell
๊ทธ๋ฆผ 4์ ๊ฐ์ด Shut down Block์ ์ ์์ด ์ผ์ ธ ์์ผ๋ฉด
์ ํธ๊ฐ ISO_EN๋ณด๋ค ๋์ Shut down block์ ์ถ๋ ฅ์ ํธ๊ฐ
Always-On-block์ ๊ณต๊ธ๋๋ฉฐ ์ ์์ด ์ฐจ๋จ๋๋ฉด ์ถ๋ ฅ์ ํธ๊ฐ
ISO_EN๋ณด๋ค ๋ฎ๊ฒ ๋์ด O์ด ์ถ๋ ฅ๋์ด Always-On-Block์ผ๋ก
์ ๋ ฅ๋๊ฒ ๋๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 4. Isolation Cell
b) Retention Cell
๋ธ๋ก์ ์ ์์ด ์ฐจ๋จํ์ ๋ ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ์ ์งํ๊ณ ์์ด์ผ ํ๋
โCellโ์ด ํ์ํ๋ฉฐ ์ด๋ฅผ Retention cell์ด๋ผ๊ณ ํ๋ค. Retention
cell์ ๊ทธ๋ฆผ 5์ ๊ฐ์ด Save ์ ํธ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์์ด ๊บผ์ง
๊ธฐ ์ ์ Main Register์ ์ ๋ณด๋ฅผ Shadow Register์ ์ ์ฅํ
๋ฉฐ Restore ์ ํธ๋ฅผ ํตํด ์ ์์ด ์ผ์ง๊ธฐ ๋๋ฉด ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ Main
Register์ ๋ณต์ํ๊ฒ ๋๋ค,
C) PMU (Power Management Unit)
PMU๋ ์ ์์ํ์ ์ฃผ์ด์ง ์ ์์ ๋ํด Switch cell on/off
๋ฐ ์ ์ on/ff ์ค์ ์ฌ๋ฐ๋ฅธ ์ ํธ ๊ฐ์ด ๊ณ ์ ๋๋๋ก ํ๋ฉฐ ์ ํธ์
์์๊ฐ ์ ํํ ์ ๋ ฅ๋๋์ง ํ์ธํ์ฌ Power์ ๊ด๋ จํ ๋ชจ๋ ์
ํธ๋ฅผ ๊ด๋ฆฌํ๋ ์ญํ ์ ํ๋ค.
์ ๋ ฅ ์ค์์น ๋คํธ์ํฌ ์ค๊ณ์ ์ํฅ์ ๋ฏธ์น๋ ์์ธ:
a) Rush Current
Rush Current๋ ์ด๊ธฐ ์ ์์ ์ผค ๋ ํ๋ก์์ ์ ์ ๋๋ ์ ๋ฅ
์ด๋ค. Electrical load๊ฐ ์ผ์ง๋ฉด ์ฒ์์๋ ํฐ ์ ๋ฅ๋ฅผ ๋์ด์ ๋ด
๋ถ ์ปคํจ์ํฐ๋ฅผ ์ถฉ์ ํ๋ค. ์ด ์ ๋ฅ๋ ์ ์ ์๋ ์ค์ ๊ตฌ์ฑ ์์
๊ฐ ์๋นํ๋ ํ๊ท ์ ๋ฅ์ ๋ช ๋ฐฐ ๋์ด ํธ๋์ง์คํฐ๊ฐ ๊ฒฌ๋ ์ ์
๋ ์ ๋ฅ ์์ ์ด๊ณผ ํ ์๋ ์๋ค. Power Domain์ ์ ์์ด ์ผ
์ง๋ฉด ๋ชจ๋ ์ปคํจ์ํฐ๊ฐ ์ถฉ์ ๋๊ธฐ ์์ํ์ฌ ๋์์ ๋ชจ๋ ์ถฉ์ ๋
๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ ๋ฅ์ ์ ์ ๋์ด ์ปค์ ์ ๋ฅ๊ฐ ๊ฐ์๊ธฐ ๋์งํ๊ฒ ๋
๋ค. ์ด๋ฌํ Rush Current๋ Power Switch Network๋ฅผ ์์์
ํฌ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ฏ๋ก ์ฐ๋ฆฌ๋ Rush Current์ ์ํฅ์ ์ํํ๊ธฐ
์ํด ์ ๋ ฅ ์ค์์น ๋คํธ์ํฌ์ ์ธ์ฌํ ์ค๊ณ๊ฐ ํ์ํ๋ค. ์ผ๋ฐ์
์ผ๋ก ๋ง์ ๋ณ๋ ฌ ์ ์ ์ค์์น๋ Power Domain Supply Grid๋ฅผ
ํ๋ ์ด์์ ์ ์ ์ค์์น๋ก ๊ตฌ๋๋๋ ์ฌ๋ฌ ๋ธ๋ก์ผ๋ก ๋๋์ด ๊ตฌ
ํ๋๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ํ๋ฉด ๊ฐ ์ ์ ์ค์์น์ ๋ถํ๊ฐ ์๋นํ ๊ฐ์ํ๊ณ
Rush Current๋ฅผ ์ต์ํ ํ ์ ์๋ค.
b) Leakage Current
๋ค๋ฅธ CMOS Transistor์ ๊ฐ์ด Power Switch์๋ ์ฝ๊ฐ
์ leakage Current๊ฐ ์กด์ฌํ๋ค. ์ ์ Power Switch Network
๋ฅผ ๊ตฌํํ๋๋ฐ ์ฌ์ฉ๋๋ ์ ์ ์ค์์น ์๋ ์ต์ ํ ํ์ฌ์ผ ํ
๋ค. Power Switch๊ฐ ํ์ ์ด์์ผ๋ก ๋ง๊ฒ ๋๋ฉด Power Switch
Network์ ์ํ leakage Current๊ฐ ๊ณผ๋ํ๊ฒ ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋๋ค. ์ผ
๋ฐ์ ์ผ๋ก ์ ์ ์ค์์น๋ High VT Cell์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ตฌํํ๋ค.
c) IR(Voltage) Drop
Rush Current๋ฅผ ์ฒ๋ฆฌํ๊ธฐ ์ํด Power Switch ๋๋ Sleep
transistor๋ ๋์ ์ฑ๋ ์ ํญ์ผ๋ก ์ค๊ณ๋์ด ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ์ด๋ก ์ธ
๊ทธ๋ฆผ 5. Retention Cell
54 55
ํด Power Switch์์ IR Drop ํฌ๊ฒ ๋ฐ์ํ์ฌ ์ค์ Cell์ ๊ธฐ๋ฅ
์ด ์ ํ๋๋ ํ์์ด ๋ฐ์ํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ Power Switch Network
Power Switch์์ IR Drop๋ฅผ ์ต์ํํ ์ ์๋๋ก ์ค๊ณ๋์ด์ผ
ํ๋ค. ์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ํด๊ฒฐํ๊ธฐ ์ํด ์ค๊ณ์๋ ๋ ๊ฐ์ง ์ ํ์ ์
์ ์ค์์น๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๊ฒ ๋๋ค. ํ๋๋ ์ ์์ ์ผค ๋ ์ฌ์ฉํ๊ณ ๋ค๋ฅธ
ํ๋๋ ์ ์ ์๋ ์ค์ ์ฌ์ฉ๋๋ค. ์ด๋ฌํ ์ ํ์ Power Switch
์ ๋ํ ์ ์ด ์ ๋ ฅ์ ํ ๋ฒ์ ํ๋์ฉ ํ์ฑํ๋๋๋ก ์ ์ด๋๋ค.
ํ์ง๋ง ๊ณต์ ์ด ๋ฏธ์ธํ๋์ด Metal์ ๋ํ ์ ํญ์ด ์ปค์ง๊ฒ ๋๋ฉด
์ Power Wire์ ์ํ IR Drop์ด ํฌ๊ฒ ๋ฐ์ํ๊ณ Power Switch
์์ฒด์ ์ ํญ๋ ์ปค์ง๊ฒ ๋์ด Power Switch Network์ IR Drop
์ ์ต์ํ ํ๋๋ฐ ๋ฌธ์ ๊ฐ ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋๋ค. ์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ๋ฅผ ๊ฐ์
ํ๊ธฐ ์ํด์๋ Power Switch๋ฅผ ์ถ๊ฐํด์ผ ํ๋๋ฐ ์ด๋ leakage
Current ์ถ๊ฐ๋ก ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋๋ค. ํนํ ๊ณ ์์ ๊ตฌํํด์ผ ํ๋ ๋ธ๋ก
์์๋ ์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ๊ฐ ํฌ๊ฒ ๋ฐ์ํ๋๋ฐ Power Switch ๋ฅผ ์ต์
ํ ํ๋ฉด์ IR Drop์ ์ค์ผ ์ ์๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ Chip Floor Plan์ ๊ตฌ
ํ ํ ๋๋ถํฐ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ์ค๊ณ๊ฐ ์งํ๋์ด์ผ ํ๋ค.
d) Ramp Up Time
Power Domain ์ข ๋ฃ์ ํ์ํ ์๊ฐ์ Ramp Up Time์ด
๋ผ๊ณ ํ๋ค. ์ด Ramp Up Time์ ๊ฐ๋ฅํ ์ต์๊ฐ ๋์ด์ผ ํ๋ค.
Power Network Design์ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก Power Switch ๋๋
Sleep Transistor ์๋ฅผ ๋๋ ค์ Ramp Up Time์ ์ค์ด๋ ๋ฐฉ์
์ผ๋ก ์ํ๋์ด์ผ ํ๋ค.
2. Clock Gating์์ ์ค๋ช ํ ๊ฒ๊ณผ ๊ฐ์ด ํ๋ก์ ์ฐ๊ด๋ Dynamic Power๋
Switching ํ๋๋ ๋ฐ ์ด ์ฉ๋์ฑ ๋ถํ์ ๊ด๋ จ์ด ์๋ค. ๋์งํธ ์ค
๊ณ์์ ๊ฐ์ฅ ์์ฃผ ์ ํ๋๋ฉด์ ๊ฐ์ฅ ๋ง์ ์ ๋ ฅ์ ์๋ชจํ๋ ๊ฒ์
Clock Gate๋ค์ด๋ค. ์ด๋ ์ค๊ณ์์ ๋ชจ๋ ๋๊ธฐํ ๋๋ ๋ถ๋ถ์ผ๋ก
โClockโ ์ ํธ๋ฅผ ์ ์กํ๋๋ฐ ์ฌ์ฉ๋๋ Cell๋ค์ ์๋ฏธํ๋ค. ์ผ๋ถ ์ค
๊ณ์์ Clock Switching ์ ๋ ฅ์ด ์ ์ฒด ์ ๋ ฅ์ 50%๊น์ง ์ฌ์ฉ๋๊ธฐ
๋ ํ๋ค. ์ด๋ ์ ๋ ฅ์ ์ผ๋ก ๋งค์ฐ ์ค์ํ ์ธก๋ฉด์ด๊ธฐ ๋๋ฌธ์, Clock
์ด ์ค์์นญ๋๋ฉด์ ์๋ชจํ๋ ํ์๋ฅผ ์ค์ด๋ ๊ฒ์ด ๋งค์ฐ ์ค์ํ๋ค.
Clock Gating์ ์๋ฆฌ๋. ๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ์ ํ๋์ง ์๋ ๊ตฌ๊ฐ์
โClockโ์ โoffโ ์ํค๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค. ์ฆ ํน์ ๊ตฌ๊ฐ ๋ด์์ ํด๋น Flip
Flop์ ์ถ๋ ฅ์ด ๋ณํํ์ง ์๋ ์กฐ๊ฑด์ ์ฐพ์ Clock ๋นํ์ฑํ ์์ผ
์ฃผ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค. ์ด ๊ฒฝ์ฐ FF์ ์ถ๋ ฅ์ EN = 0์ธ ๋์ ์์ ์ ์ผ
๋ก ์ ์ง๋๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 6์ ์ค๋ฅธ์ชฝ์๋ Clock Gating์ด ์ ์ฉ๋ ํ๋ก
์ด๋ฉฐ ์ฌ๊ธฐ์ EN์ ํด๋ญ ๊ฒฝ๋ก์ AND Gate๋ก ๋ณํ๋๋ค. ์ด๊ฒ์
Clock Gating์ ๊ตฌํํ๊ธฐ ์ํ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๋งค์ฐ ๋จ์ํ ํ ๊ฒ์ด๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 6. Clock Gating์ ๊ตฌํ
Clock Gate๋ ์ํคํ ์ฒ ๊ตฌํ์ผ๋ก ์ฒ๋ฆฌ๋์ง ์์ ๊ฒฝ์ฐ
Clock Gate์ ๊ฒฐํจ์ด ์ผ์ด๋ ์ ์๋ค. ์๋๋ Clock Gating ๊ตฌ
ํ์ ํ์ด๋ฐ๊ณผ ๊ด๋ จํ์ฌ ์ฃผ์ํด์ผ ํ ์ฌํญ์ ๋ํด ์์ฝํ์๋ค.
์์ญ/์ ์/๋๊ธฐ ์๊ฐ ๊ท ํ: ๊ทธ๋ฆผ 6๊ณผ ๊ฐ์ด Clock Gating์
๋ฐ์ดํฐ ๊ฒฝ๋ก ๋ก์ง(Logic)์ Clock Path๋ก ์ ๋ฌํ๋ค. ์ด๋ ๊ฒ ํ
๋ฉด ์ ์ฒด Clock latency Time์ด ์ฆ๊ฐ ํ ์ ์๋ค. ๋ํ 1~2๊ฐ์
Flip Flop์ ๊ตฌ์กฐ๋ง Clock Gate๋ก ๋์ฒดํ๋ ๊ฒฝ์ฐ(Clock Gate
๊ตฌ์กฐ์ Switching ๋ Flip Flop ๋ด๋ถ์ Switching์ ๋ฐ๋ผ ๋ค๋ฆ)
์ ๋ ฅ์ ๊ฐ์ํ์ง ์๊ณ ์ฆ๊ฐํ ์๋ ์๋ค. ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ์ ์ฌํ
EN ์กฐ๊ฑด์ ๊ฐ์ง Flip Flop๋ค์, Common Clock Gate๋ฅผ ์ฝ์ ํ
์ฌ ๋ฉด์ ๋ฐ ์ ์ ์์ค์ ์ต์ํํ์ฌ์ผ ํ๋ค.
3. Multi Threshold Voltage DesignMulti Threshold Voltage Design์ Leakage Power๋ฅผ ์ค
์ด๊ธฐ ์ํ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค. Multi Threshold Voltage Design์ ๊ตฌํ
ํ๊ธฐ ์ํด์๋ ์ด๋ฅผ ์ง์ํ๋ ๋ผ์ด๋ธ๋ฌ๋ฆฌ(Library)๊ฐ ํ์ํ๋ค.
๊ธฐ์กด์ ์ธ ๋ผ์ด๋ธ๋ฌ๋ฆฌ๋ก๋ HVT, RVT, LVT, SLVT๊ฐ์๋ค. RVT
๋ฅผ ํ์ค์ผ๋ก ํ์ฌ HVT๋ ๋์ Threshold Voltage๋ก ์๋๊ฐ ๋
๋ฆฌ์ง๋ง leakage Power๊ฐ ์๊ณ LVT๋ leakage Power๋ ํฌ์ง
๋ง Threshold Voltage๊ฐ ๋ฎ์ ๋น ๋ฅธ ์ฅ์ ์ด ์๋ค. ์์ฃผ ๋น ๋ฅธ ์
๋๋ฅผ ๊ตฌํํ๋ ๋ธ๋ก์ ํํ์ฌ SLVT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋ค. ํ์ง๋ง ์ด๋ฐ
๋ธ๋ก์์ leakage Power๊ฐ ๋งค์ฐ ํฌ๊ฒ ๋์ด ๊ฐ๋ฅํ ์ ์ ์์
SLVT cell์ ์ฌ์ฉํ์ฌ์ผ ํ๋ค.
์ด๋ฌํ ๋ฌธ์ ๋ค์ ๊ฐ์ ํ๊ธฐ ์ํด์ Multi Threshold Voltage
Design์ ์ฌ์ฉํ๊ฒ ๋๋ค. ๋๋ถ๋ถ์ cell๋ค์ ๋์ Threshold
Voltage๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋ฉด์ Clock Speed๊ฐ ๋น ๋ฅธ ํน์ path์ LVT
๋ SLVT๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ leakage Power๋ฅผ ์ค์ด๋ฉด์ ์๋๋ฅผ ๊ตฌํ
ํ๊ธฐ ์ํด ์ฌ์ฉํ๋ค. ์ด๋ฌํ ์ค๊ณ๊ฐ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ๊ตฌํ๋๊ธฐ ์ํด
์๋ Timing Margin์ ๊ณ ๋ คํ๋ฉด์ Threshold Voltage๊ฐ ๋ฎ์
Cell๋ค์ ์ฌ์ฉ์ ์ต์ํํ์ฌ ์ค๊ณํด์ผ ํ๋ค.
HVT (High Voltage Threshold) : Threshold Voltage๋
๋์ leakage Power๋ฅผ ๋ง์ด ์ค์ผ ์ ์์ผ๋ Speed๊ฐ ๋
๋ฆฌ๊ณ ๋ฏธ์ธ๊ณต์ ์์๋ ์ง์ํ์ง ์์ ์๋ ์๋ค.
RVT(Regular Voltage Threshold) : ํ์ค์ ์ธ leakage
Special Report
56
Power์ Threshold Voltage๋ฅผ ๊ฐ์ง๊ณ ์์ด ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ์ฌ์ฉ
๋๋ Cell์ด๋ค.
LVT(Low Voltage Threshold) : RVT ๋นํด Leakage
Powerํฌ๊ณ Threshold Voltage ๋ฎ์์ Speed๋ฅผ ๋น ๋ฅธ Block
์์ ์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ค.
SLVT (Super Low Voltage Threshold) : Leakage Power
๊ฐ ๋งค์ฐ ํฌ์ง๋ง Threshold Voltage ๋งค์ฐ ๋ฎ์ High Speed
๋ฅผ ๊ตฌํ ํด์ผ๋ง ํ๋ block์์ ์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ค.
์ด๋ฌํ ๋์์ธ์ ์์ฆ์๋ IP์์๋ ๋ง์ด ์ฌ์ฉ๋๋๋ฐ
MIPI(Mobile Industry Processor Interface)์ ๊ฐ์ด ๊ณ ์์ ๊ตฌ
ํํด์ผ ํ์ง๋ง ์นฉ์ ํ์ฌ ๋์์ ๋ Leakage Power ๊ฐ์์
์ผ์ฃผ๊ธฐ ์ํด RVT๋ก ๋๋ถ๋ถ์ Cell๋ค์ ๊ตฌํํ๊ณ Serialize/
Deserialize์ ๊ฐ์ ๊ณ ์ ๊ตฌํ์ด ํ์ํ ๊ณณ์์ LVT๋ SLVT๋ฅผ
์ฌ์ฉํ์ฌ ์ค๊ณ๊ฐ ์งํ๋๊ณ ์๋ค.
4. DVFS ๋ฐ ๋ค์ค ๋์์ ์ ๊ธฐ์ Dynamic Power ์๋ชจ๋ฅผ ์ ๊ฐํ๊ธฐ ์ํด ์ ์ ๋ ฅ ์๋ฒ ๋๋ ํ
๋ก์ธ์(Embedded Processor)์์ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ์ ์ฉ๋๊ณ ์๋
๊ธฐ์ ๋ก์ DVS ๋ฐ DVFS๊ฐ ๋ํ์ ์ด๋ค. DVS๊ฐ ์ ์ ์ค์ผ์ผ๋ง
์ ํตํ Dynamic Power ์๋ชจ๋ฅผ ์ค์ด๋ ๊ธฐ๋ฒ์์ ๋นํด DVFS
๋ ์ ์๊ณผ ์ฃผํ์๋ฅผ task deadline์ ๊ฐ์ํ์ฌ ์ค์ผ์ผ๋งํ๋
๊ธฐ๋ฒ์ด๋ค. ๋ฐ๋ผ์ DVS ๋ณด๋ค ์ ๋ ฅ์๋ชจ ์ธก๋ฉด์์ ํจ์จ์ฑ์ด ์ฐ์
ํ๋ค. ๋ฌด์ ๋จ๋ง๊ธฐ๊ธฐ์ ๊ฐ์ด ์ค์๊ฐ ๋์์ด ์๊ตฌ๋๋ ์์คํ ์
๊ฒฝ์ฐ, ์์คํ ์ ์ต๋ Clock ์๋๋ ๋ชจ๋ task๋ฅผ ์ฃผ์ด์ง ์๊ฐ ์ด
๋ด์ ๋๋ผ ์ ์๋ Clock ์๋๋ณด๋ค ํฌ๊ฑฐ๋ ๊ฐ์์ผ ์ค์๊ฐ ๋
์์ ๋ณด์ฅํ ์ ์์ผ๋ฏ๋ก, ๊ฐ task์ ๋์ ์ํ๋ฅผ ์ดํด๊ฐ๋ฉด์
dealline time ์ ์ฝ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์กฑํ๋ ๊ฐ์ฅ ๋ฎ์ Clock ์๋๊น
์ง ์์คํ ์ Clock ์๋๋ฅผ ์กฐ์ ํด๊ฐ๋ฉด์ ๋ฎ์ถ ์ ์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋
Clock ์๋๋ฅผ ๋ฎ์ถค์ ๋ฐ๋ผ ๊ณต๊ธ ์ ์๋ ํจ๊ป ๋ฎ์์ ธ์ ์ ๋ ฅ ์
๋ชจ๋ฅผ ์ค์ผ ์ ์๋ค. DVFS๋ฅผ ๊ตฌํํ ๋ task ๊ฐ์ ์ฒ๋ฆฌ ์ง์ฐ ๋ฐ
์์คํ ๋ด๋ถ์ ์ ์ ์๋ delay๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ deadline ์ด์ ์ ์ฌ
์ ์๊ฐ์ด ํ์ํ๋ค. ์ด๋ฌํ ์ฌ์ ์๊ฐ ์ถ์ ์ ์ํด PMU์ ์
์กด๋๊ฐ ๋์์ง๋ค. ๋ํ DVFS ๊ตฌํ์ ์ํด์๋ SoC ๋ด๋ถ ๋ธ๋ก
๋ณ ๊ณต๊ธ ์ ์์ ๊ฐ๋ณ ์ํฌ ์ ์๋ DC-DC ๋ณํ๊ธฐ์, Clock์
๊ฐ๋ณ ์ํฌ ์ ์๋ programmable PLL, ๋ธ๋ก๊ฐ ์๋ก ๋ค๋ฅธ ์ ์
๋ ๋ฒจ์ ๋ง์ถ ์ ์๋ level shifter ๋ธ๋ก์ด ํ์ํ๋ค. ์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ ค
ํ ๋ค์ค ๋์์ ์ DVFS ์์คํ ์ ๋ด๋ถ ๋ธ๋ก ๋ค์ด์ด๊ทธ๋จ์ ๊ทธ
๋ฆผ 8๊ณผ ๊ฐ์ด ๋์ํํ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 8. DVFS๋ฅผ ์ ์ฉํ Soc ๋ด๋ถ ๋ธ๋ก ๋ค์ด์ด๊ทธ๋จ
DVFS์ ๊ธฐ๋ณธ ๊ฐ๋ ์ ๋จ์ํ์ง๋ง ์ด๋ฅผ ๊ตฌํํ๊ธฐ ์ํด ์์ค
ํ ์ ์ถ๊ฐ๋์ด์ผ ํ๋ ๋ธ๋ก๊ณผ ๋ถํ์์ธก ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์๋นํ ๋ณต
์กํ๋ค. ๊ตฌ์ฒด์ ์ผ๋ก, ์์ ์ฒ๋ฆฌ ๊ธฐ๋ฅ์ ์ค์ฌ์ผ๋ก ํ ์ผ๋ฐ์ ์ธ
DVFS ์์คํ ๋ธ๋ก๋๋ ๊ทธ๋ฆผ 9์ ๊ฐ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 9. DVFS ๋์ ๊ตฌ์กฐ๋
Performance manager๋ ์๊ตฌ๋๋ ์ฑ๋ฅ์ ์์ธกํ๊ณ , ๋ค์
task๋ฅผ ์ํํ๊ธฐ ์ํด ํ์ํ ๋์ ์ฃผํ์์ ์ ์์ ๊ฒฐ์ ํ๋ค.
๊ฒฐ์ ๋ ๋์ ์ฃผํ์์ ์ ์ ๊ฐ์ ๊ฐ๊ฐ PLL๊ณผ voltage regulator
๋๋ DC-DC ๋ณํ๊ธฐ์ ์ ์ด ์ ํธ๋ก์ ์ธ๊ฐ๋๋ฉฐ, PLL ๋ฐ
๊ทธ๋ฆผ 7. Multi Threshold Voltage Design
56 57
DC-DC์ ์ถ๋ ฅ์ ๋ค์ PMU ๋ฑ์ ์ ์ด๊ธฐ์ ์ธ๊ฐ๋์ด ์ค์ ๋
๊ฐ์ ๋๋ฌํ๋์ง ํ๋จํ๊ฒ ๋๋ค. DVFS ๊ตฌํ์์ ๋ฌธ์ ๋ ์์ค
ํ ๋ณต์ก๋ ์ฆ๊ฐ ์ธ์๋ PLL ์ฃผํ์ ๋ฐ DC-DC ์ถ๋ ฅ ์ ์์ด ์
์ ํ๋๋ ๋ฐ ๊ฑธ๋ฆฌ๋ ์๊ฐ์ธ transition overhead๊ฐ ์ ์ง ์๊ฒ
๋ฐ์ํ๋ ๋ฐ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ํ์ฌ DVFS ๊ธฐ์ ์ Clock ์ฃผํ์ ๋ณ
ํ๊ฐ ๋์์ ํฐ ์ํฅ์ ๋ฏธ์น๊ณ ์ค์๊ฐ ์ฒ๋ฆฌ๊ฐ ์ค์ํ ํต์ ๋ชจ
๋ ๋ธ๋ก๋ณด๋ค๋, MPEG decoder ๋ฑ์ ์ ํ๋ฆฌ์ผ์ด์ ํ๋ก์ธ์
๋ถ์ผ์ ์ฃผ๋ก ์ ์ฉ๋๊ณ ์์ผ๋ฉฐ 20~30% ์ ๋์ ๋์ ์ ๋ ฅ ์ ๊ฐ
ํจ๊ณผ๋ฅผ ๋ณด์ธ๋ค.
5. Multi-voltage DesignDynamic Power๋ ๊ณต๊ธ์ ์์ ์ ๊ณฑ์ ๋น๋กํ๋ฏ๋ก ๋ธ๋ก๋ง๋ค
๊ทธ ํน์ฑ์ ๋ง๋ ์ ์์ ๋ค๋ฅด๊ฒ ๊ณต๊ธํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ๋์ ์ ์
์ ์ฌ์ฉ์ด ํ์ํ์ง ์์ ๋ธ๋ก๋ค์ ์ ์์ ๋ฎ์ถ์ด ์ ๋ ฅ์ ์ค์ผ
์ ์๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๊ณต๊ธ์ ์์ ๋ฎ์ถ๋ฉด ์ค๊ณ์์ Gate
Latency๊ฐ ๋์์ง๋ ๋จ์ ์ด ์๋ค.
Chip์ ๋ธ๋ก๋ง๋ค ์๋๊ฐ ๋ค๋ฅด๊ฒ ์๊ตฌ ๋์ด์ง๋ ๊ณณ๋ค์ด ๋ง์ผ
๋ฏ๋ก ์๋ฅผ ๋ค์ด, CPU์ RAM ๋ธ๋ก์ ๋ค๋ฅธ ๋ธ๋ก๋ณด๋ค ๋น ๋ฅผ ์ ์
๋ค. ์ต๋ํ ์๋๋ฅผ ์ป๊ธฐ ์ํด์๋ CPU์ RAM์ ๋ ๋์ ์ ์
์ผ๋ก ๋์ํ์ฌ์ผ ํ๋ฉฐ ๊ทธ๋ ์ง ์์ ๋ง์ ๋ธ๋ก์ ๊ทธ๋ฆผ 10๊ณผ ๊ฐ
์ด ๋ ๋ฎ์ ์ ์์ผ๋ก ์๋ํ ์ ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 10. Multi Voltage Deign Diagram
Multi-voltage Design์์ Chip์ ๋ด๋ถ ๋ก์ง์ ๊ฐ๊ฐ ๋ค๋ฅธ
์ ์ ๊ณต๊ธ ์ฅ์น๊ฐ ์๋ ์ฌ๋ฌ ์ ์ ์์ญ ๋๋ Power Domain์ผ
๋ก ๋ถ๋ฆฌ๋๋ค. RAM ๋ธ๋ก์์๋ ๋ฉ๋ชจ๋ฆฌ๋ฅผ ์ก์ธ์คํ ๋์๋ ๋ฎ์
์ ์์ ๊ณต๊ธํ๊ณ Read์ Write๊ฐ ์งํ๋ ๋์๋ ์ ํธ๊ฐ ํ ์
์ ๋๋ฉ์ธ์์ ๋ค๋ฅธ ์ ์ ๋๋ฉ์ธ์ผ๋ก ๋ค์ด๊ฐ๋ ๊ฒฝ์ฐ, ๋ค๋ฅธ ์
์ ์ ํธ๋ฅผ ์์ฑํ๊ธฐ ์ํด level Shifter๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ ์์ ๋ง์ถฐ
์ฃผ์ด์ผ ํ๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 11. Level Shifter
Multi Voltage Design์ ์์ ๊ฐ์ด Voltage๋ฅผ ํน์ ๋ธ๋ก์
๋ฎ์ถ์ด Power ์๋ชจ๋ฅผ ์ค์ผ ์๋ ์์ง๋ง Power Domain์ด ๊ตฌ
๋ถ๋์ด ์๋ Power Domain์ Power Gating์ ๊ตฌํํ์ฌ ํน์
๊ตฌ๊ฐ ๋ด์์ ๋์ํ์ง ์๋ Power Domain์ ์ข ๋ฃ์์ผ ๋ ๋ง
์ ์ ์ ํจ๊ณผ๋ฅผ ์ป์ ์ ์๋ค, ํ์ง๋ง ์ด ๊ฒฝ์ฐ Power Domain
๋ค์ด ๋์ํ์ง ์๋ ์ ์ ํ ๊ตฌ๊ฐ๋ค์ ๋ค ๊ณ ๋ คํ์ฌ์ผ ํ๊ณ
Power Domain๊ฐ์ ๋ ผ๋ฆฌ๋ค๋ ๊ณ ๋ คํ์ฌ ์ค๊ณ๋์ด์ผ ํ๋ค.
๊ฒฐ๋ก
์ต๊ทผ ๋ชจ๋ฐ์ผ ๊ธฐ๊ธฐ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ IT ๋ชจ๋ ๊ธฐ๊ธฐ๋ค์ ๊ณ ์ํ, ๋ค
๊ธฐ๋ฅํ๋ก ์ธํ์ฌ ์ ์ ๋ ฅ IC๋ ์ ํ์ด ์๋๋ผ ํ์๊ฐ ๋์๋ค๊ณ
ํ ์ ์๋ค. ์ด๋ฌํ ์ค๊ณ ๋ ธ๋ ฅ๊ณผ ํจ๊ป Leakage Power๋ฅผ ๊ฐ์
์ํค๊ธฐ ์ํด FD-SOI ๊ณต์ ์ ์ด์ฉํ IC ๊ฐ๋ฐ์ด ์งํ๋๊ณ ์๋ค.
Clock Gating์ด๋ Multi Threshold Voltage ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ๋ค
์ ์ฝ๊ฒ ์ ์ฉํ ์ ์์ด IC ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ IC ๋ด๋ถ IP์๋ ๋ง์ด
์ ์ฉ๋๊ณ ์๋ค. ํ์ง๋ง IC ๋ด๋ถ์ ๋ง์ IP๋ค์ด ์์ง์ Power
Gating์ด ์ ์ฉ๋์ง๋ ์๊ณ ์๋ค. ๋ด๋ถ ๊ณ ์ IP๋ low Threshold
Voltage์ Cell๋ค์ ๋์งํธ ๋ธ๋ก ๋ด์์ ์ฌ์ฉํ๊ณ ์๋ ๊ฒฝ์ฐ๊ฐ
๋ง์ leakage Power๋ฅผ ์ค์ด๊ธฐ ์ํด์๋ Power Gating์ ํ์ฉ
ํ์ฌ ์ ๋ ฅ ์๋ชจ๋ฅผ ์ค์ผ ํ์๊ฐ ์๋ค. IC ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ IP์์๋
์ ์ ๋ ฅ ์ค๊ณ๊ฐ ์ ์ฉ๋์ด์ผ ๊ฒฝ์๋ ฅ ์๋ IC๋ฅผ ๊ตฌํํด ๋ผ ์ ์
์ ๊ฒ์ด๋ค.
์ฐธ๊ณ ๋ฌธํ
Synopsys โWhat is Low Power DesignโNAM JIN Park ์ ์ํต์ ๋ํฅ๋ถ์ 35๊ถ ์ 2ํธ (2020)S. B. Hyun ์ ์ํต์ ๋ํฅ๋ถ์ ์ 23๊ถ ์ 6ํธVLSI Physical Designhttp://88physicaldesign.blogspot.com/2016/06/power-gating.html?m=1VLSI UNIVERSE https://vlsiuniverse.blogspot.com/2016/11/clock-gating.html?m=1