4. 电压域物理实现：从理论到实战

各位同学，今天我们来聊聊多电压域设计里最核心的实操环节。说实话，这块内容我第一次接触时也头大，但后来发现，只要把几个关键动作搞明白，剩下的就是细心和耐心了。

4.1 电压域（Voltage Area）创建

电压域，说白了就是芯片上的一块区域，这块区域里的标准单元、宏单元都工作在同一个电压下。我习惯叫它「VA」，英文全称是 Voltage Area。

创建 VA 时，我们通常用工具的命令来画一个矩形区域。比如在华大九天的工具里，可以这样操作：

# 创建一个名为 VA_CORE 的电压域，电压 0.8V
create_voltage_area -name VA_CORE -voltage 0.8 \
    -boundary {100 100 500 500}

这里要注意几个点：

• 边界要留余量：我建议 VA 边界比实际逻辑区域大 5-10 微米，防止后续布线时出现 DRC 违例
• 命名要规范：用 VA_ 前缀，后面跟功能名，比如 VA_IO、VA_MEM
• 电压值要统一：同一个 VA 内所有单元必须用同一电压，别混用

4.2 电源域（Power Domain）分配

电源域和电压域有啥区别？嗯，这个问题我经常被问到。简单说：电压域是物理概念，电源域是逻辑概念。

一个电源域可以包含多个电压域，也可以只包含一个。比如你的芯片有 1.2V 和 0.8V 两个电压，那至少有两个电源域。但如果 0.8V 区域里又分了两个 VA，那这两个 VA 就属于同一个电源域。

分配电源域时，我一般遵循这个流程：

1. 先确定芯片需要几种电压
2. 每种电压对应一个电源域
3. 在同一个电源域内，再根据功能划分电压域

举个例子，我之前做过一个 AI 加速芯片：

电源域	电压	包含的电压域	功能
PD_CORE	0.8V	VA_COMPUTE, VA_MEM	核心计算
PD_IO	1.8V	VA_IO_IN, VA_IO_OUT	输入输出
PD_ALWAYS	1.2V	VA_ALWAYS	常开区域

4.3 Always-On 区域处理

Always-On 区域，就是芯片里永远不能断电的那部分。比如唤醒逻辑、关键状态寄存器、RTC 时钟等。

处理 Always-On 区域时，有几个坑要注意：

• 电源必须独立：Always-On 区域要用单独的电源网络，不能被电源开关控制
• 隔离要到位：Always-On 区域和其他区域之间必须加电平转换器（Level Shifter）
• 面积别太大：我见过有人把半个芯片都设成 Always-On，那功耗控制就白做了

在华大九天的工具里，标记 Always-On 区域的方法很简单：

# 将 VA_ALWAYS 标记为常开区域
set_voltage_area -name VA_ALWAYS -always_on true

4.4 电源开关（Power Switch）插入

电源开关，就是用来控制某个电压域是否供电的器件。它本质上是一个大尺寸的 PMOS 管，串联在电源网络和电压域之间。

插入电源开关时，我一般按这个步骤来：

1. 确定开关类型：粗粒度开关还是细粒度开关？粗粒度一个开关管一大片，细粒度每个标准单元都配开关
2. 计算开关数量：根据电压域的电流需求，算出需要多少个开关并联
3. 摆放开关：均匀分布在电压域边界，保证供电均匀
4. 连接控制信号：把开关的使能信号连到 Always-On 区域

举个例子，一个需要 1A 电流的电压域，如果每个开关能提供 10mA，那就需要 100 个开关。我习惯多留 20% 的余量，放 120 个。

# 插入电源开关的示例命令
insert_power_switch -name SW_CORE \
    -voltage_area VA_CORE \
    -switch_cell "HEADER_10MA" \
    -number 120 \
    -control_signal "sw_en"

知识体系总览

下面这张图，是我自己总结的多电压域实现流程，你一看就明白了：

这张图把整个流程串起来了。你从电压域创建开始，一步步往下走，中间别忘了用 IR Drop 分析来反馈调整。我每次做项目，至少要在电源开关插入这一步迭代 3-5 轮，才能把 IR Drop 压到 5% 以内。

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