电源门控设计的原则
电源门控包括有选择性的关闭芯片中的某些块，同时保持其他块的供电。电源门控的目标是通过暂时关闭电源到当前工作模式下不需要的块，以减少泄漏电流。
电源门控最基本的形式，也是长期泄漏功耗最低的形式是在芯片外部开关电源。考虑这个例子：片上CPU有一个专用的片外电源；也就是说，电源只对CPU供电。然后，我们可以关闭这个电源供应，并将CPU的泄漏减少到基本为零。然而，这种方法也需要花费最长的时间和较多的能耗来恢复一个门控模块的电源。
内部电源门控是使用内部开关用于控制电源选择，对于解决短时间内的电源关闭是一个更好的解决方案。
图4-4显示了使用内部电源门控的SoC的简化视图。
与总是处于开机模块不同，电源门控模块通过电源交换网络接收电源。这个网络将Vdd或Vss切换到电源门控块。在本例中，Vdd总是被切换；Vss直接提供给整个芯片。开关结构通常由大量分布在电源门控块周围或内部的CMOS开关组成。
电源门控控制器控制为门控块提供电源的CMOS开关。
电源门控设计的一个挑战是电源门控块的输出可能会非常缓慢地关闭。结果可能是，这些输出在阈值电压上花费了大量的时间，在常开的块中造成了大的短路电流。
为了防止这些短路电流，隔离单元(图中的“Isol”块)被放置在电源门控块的输出和常开块的输入之间。这些隔离单元被设计成当其中一个输入处于阈值时且控制输入关闭时，它们就不会产生短路电流。电源门控控制器提供这种隔离单元的控制信号。
对于一些电源门控块，在断电期间保持块的内部状态，并在上电期间恢复此状态是非常可取的。这种留存策略可以在恢复过程中节省大量时间和能量。实现这种保留策略的一种方法是使用保留寄存器来代替普通的触发器。
保留寄存器通常有一个辅助寄存器或影子寄存器，它比主寄存器慢，但漏电流小得多。这些保留寄存器需要被告知何时将主寄存器的当前内容存储到影子寄存器中，何时将值恢复到主寄存器中。这种控制由电源门控器提供。
电源开关—粗粒度和细粒度
电源门控的一个关键决定是如何切换电源。一般有两种方法:细粒度电源门和粗粒度电源门。
在细粒度电源门控中，开关被放置在库中每个标准单元的局部内部。由于这个开关必须提供单元所需的最坏情况下的电流，为了不影响性能，它必须相当大。每个单元的面积开销非常大(通常是原始单元的2-4倍大小)。图4-5显示了一个细粒度栅极的例子。
细粒度电源门控的关键优势是，IR drop带来的时序影响以及钳位行为很容易描述，因为它们包含在单元内。这意味着仍然可以使用传统的设计流程来部署细粒度电源门控。
在粗粒度电源门控中，一组门的电源由一组开关单元控制(图4-4)。粗粒度电源门控交换网络比细晶粒交换网络更困难，因为它提供的逻辑的精确交换活动是未知的，只能估计。但粗粒度电源门控设计的面积明显小于细粒度电源门控。
在过去的几年里，有一个强烈的趋势—粗粒度电源门控作为首选方法。细粒度电源门的面积代价并不值得在设计上花费精力。几乎所有的电源门控设计使用粗粒度电源门控。出于这个原因，我们专门集中在粗粒度电源门控为这本书的其余部分。(唯一的例外是关于库的那一章，我们将对细粒度与粗粒度的权衡进行更详细的分析。)
任何电源门控设计的关键挑战之一是管理电源重新连接时的涌流。为了避免电网中的IR drop过大，必须小心地控制涌流；否则，当电源门模块经历其睡眠/唤醒序列通路后，通电模块的功能和状态可能会被破坏。
电源门控的挑战
实现电源门控给设计师带来了一些挑战。这些包括:
电源开关结构的设计。
电源门控控制器的设计。
保留寄存器和隔离单元的选择和使用。
尽量减少电源门控对时序和面积的影响。
时钟和复位功能控制。
接口隔离。
为实现和功能分析制定正确的约束条件。
执行与状态相关的验证，以确保所有合法的状态进入和退出。
模拟和验证制定生产和测试策略。
