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静态Multi-Vth技术
资料介绍
一、技术基本概念
什么是Multi-Vth技术
Multi-Vth全称是Multiple Threshold Voltage，也就是多阈值电压技术，是集成电路设计领域，针对CMOS工艺节点缩小后出现的功耗与性能平衡问题，发展出来的经典静态设计优化技术。这里的「静态」指的是技术应用在芯片版图定型、流片制造之前的设计阶段，通过预设不同阈值电压的晶体管来实现优化，不需要芯片运行过程中的动态调节，区别于动态Vth调节、动态电压频率调节这类运行时动态优化技术。
在CMOS工艺中，晶体管的阈值电压Vth是核心参数，指的是让晶体管漏源极形成导电沟道所需的最低栅极电压。对于同一个工艺节点，芯片代工厂一般会提供至少两种不同阈值电压的晶体管器件选项：低阈值电压（Low-Vth，LVt）和高阈值电压（High-Vth，HVt），部分先进工艺还会提供标准阈值电压（Standard-Vth，SVt）、极低阈值、超高阈值等更多档位，设计人员可以根据电路不同模块、不同路径的性能需求，灵活选择不同Vth的器件，这就是静态Multi-Vth技术的核心逻辑。
技术诞生背景
随着摩尔定律推进，CMOS工艺节点从微米级逐步缩小到纳米级，电源电压Vdd也需要按比例降低才能避免器件击穿和功耗过高。但阈值电压Vth不能和电源电压同比例降低，因为亚阈值 leakage（漏电流）和Vth呈指数负相关：Vth降低100mV，漏电流会增大一个数量级。如果整个芯片都采用低Vth晶体管保证性能，那么漏电流带来的静态功耗会急剧上升，甚至超过动态功耗成为芯片功耗的主要来源；如果全部采用高Vth晶体管降低漏电流，晶体管开关速度变慢，芯片整体时序会不满足要求，无法达到设计的运行频率。
静态Multi-Vth技术就是为了解决这个「性能-功耗」矛盾诞生的，它不需要改变电路结构，不需要额外的控制电路，只需要在设计阶段分配不同Vth器件，就可以在满足时序要求的前提下，最大程度降低芯片静态功耗，实现性能和功耗的平衡，因此成为从0.18μm工艺到当前3nm、2nm工艺都在广泛使用的基础优化技术。
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