功耗在芯片設(shè)計(jì)中的地位，如何設(shè)計(jì)之初？

時(shí)間：2022-03-14作者：深圳市清寶科技有限公司瀏覽：75

p>1 簡介：功耗在芯片設(shè)計(jì)中的作用

長期以來，設(shè)計(jì)人員面臨的較大挑戰(zhàn)是時(shí)序收斂，而功耗則處于次要地位。近年來，以下因素使功耗引起了設(shè)計(jì)人員的注意：

1）移動應(yīng)用的興起讓功耗的重要性逐漸顯現(xiàn)。大的功耗意味著短的電池壽命。

2）芯片集成度的提高使電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為挑戰(zhàn)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片內(nèi)的電路密度翻了一番，運(yùn)行頻率是以前的數(shù)倍，而片上布線也越來越細(xì)，片上電源網(wǎng)絡(luò)必須以少的功率提供多的功率。聯(lián)系。線路資源被發(fā)送到每個(gè)單元。如果做不到這一點(diǎn)，芯片的穩(wěn)定性和預(yù)定的工作頻率就會成為問題。IR壓降和電源網(wǎng)絡(luò)消耗的大量路由資源成為困擾后端設(shè)計(jì)人員的重要問題?，F(xiàn)在這種壓力正在逐步傳遞給**設(shè)計(jì)人員，在設(shè)計(jì)階段需要少的功率。

3）功耗對成本的影響越來越大

功耗決定了芯片的發(fā)熱情況。封裝結(jié)構(gòu)需要及時(shí)傳遞芯片產(chǎn)生的熱量，否則溫度會升高，電路無法穩(wěn)定工作。因此，發(fā)熱量大的芯片需要選擇散熱良好的封裝，或者額外增加風(fēng)扇等散熱系統(tǒng)，這就意味著成本的增加。

由于以上原因，功耗已成為產(chǎn)品的重要指標(biāo)和制約因素。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初應(yīng)考慮以下因素：

1）功耗目標(biāo)的確定

a) 功耗指標(biāo)在產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的商業(yè)**；

b) 包裝和工藝的成本影響；

c) 評估實(shí)施的可行性和復(fù)雜性、由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間進(jìn)程影響；

d) 參考值的選擇：根據(jù)同類產(chǎn)品、經(jīng)驗(yàn)值、工具分析確定，并隨著設(shè)計(jì)的深入不斷修訂。

2）優(yōu)化計(jì)劃（策略）設(shè)置

在進(jìn)一步分析之前，我們先來看看功耗的構(gòu)成。

2 功耗構(gòu)成

2.1 **電源

功耗的構(gòu)成包括四個(gè)部分：RAM、ROM、時(shí)鐘樹（clock tree）和**邏輯電路（Core logic），依次分析。

1）內(nèi)存

計(jì)算 RAM 功耗是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，幸運(yùn)的是，內(nèi)存可以為我們完成這項(xiàng)工作。關(guān)鍵點(diǎn)是每個(gè)端口的訪問速率，可以通過考慮訪問的類型來獲得，也可以通過模擬來獲得。建議在設(shè)計(jì)初期生成不同參數(shù)（寬度、深度、速度、端口號）的RAM/ROM的功耗數(shù)據(jù)，方便設(shè)計(jì)探索。

2）時(shí)鐘樹

時(shí)鐘樹的功耗占整個(gè)芯片功耗的40%~60%，因?yàn)樗幕顒勇矢撸?*），正負(fù)邊沿都耗電。

其中，電容包括三部分：寄存器的電容、驅(qū)動單元的電容和走線電容。

3）**邏輯電路

將**邏輯電路的功耗定義為除時(shí)鐘樹之外的組合和時(shí)序單元所消耗的功耗。由兩部分組成：

4）宏單元格

大多數(shù)芯片都包含模擬宏，例如 PLL，其功耗參數(shù)可以在庫提供商的數(shù)據(jù)表中找到。設(shè)計(jì)人員可以通過劃分系統(tǒng)模式來關(guān)閉不需要工作的模塊以降低功耗。

2.2 IO 電源

IO功耗包括IO單元、外部負(fù)載、外部端子等。由于需要驅(qū)動板級布線，IO的電容會是內(nèi)部單元的數(shù)百倍，所以功耗比較大。有時(shí)，IO的功耗可以占到整體功耗的很大比例，系統(tǒng)架構(gòu)可能會相應(yīng)改變，如：重新定義系統(tǒng)的劃分，減少芯片與芯片之間的連接；選擇不同的IO接口協(xié)議以降低能耗。IO功耗通常由系統(tǒng)架構(gòu)、接口帶寬和協(xié)議要求決定。一旦選擇了庫，設(shè)計(jì)人員可以將空間優(yōu)化得非常小，但設(shè)計(jì)人員可以降低內(nèi)核的功耗。在以下頁面中，

3 功耗估算

功耗估算的**在于盡早定量地查看優(yōu)化結(jié)果，以幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行初始架構(gòu)探索。在每個(gè)階段，如產(chǎn)品規(guī)劃、架構(gòu)開發(fā)、代碼編寫、綜合、P

3.1 估計(jì)方法

功耗估計(jì)可以在設(shè)計(jì)流程的各個(gè)階段進(jìn)行，對應(yīng)于不同形式的設(shè)計(jì)表征。

階段越早，抽象級別越高，準(zhǔn)確度越差，但反饋給設(shè)計(jì)者的時(shí)間越早，得到估算結(jié)果的時(shí)間就越少。

1.軟件級別

首先，定義一個(gè)系統(tǒng)將執(zhí)行的典型程序。一個(gè)典型的程序往往有數(shù)百萬個(gè)機(jī)器周期，完整的 RTL 級仿真可能需要幾個(gè)月的時(shí)間，這是不可接受的。解決方案是在**別對基本構(gòu)建塊的功耗進(jìn)行建模。

實(shí)用的方法是根據(jù)具體的硬件平臺統(tǒng)計(jì)每條指令對應(yīng)的功耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行指令級仿真。

2.行為層面

在分析之前，我們首先要了解電路的功耗原理。實(shí)際電路的功耗

- 電壓：

- Ci 是節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，

——ai是他們節(jié)點(diǎn)的

在行為級設(shè)計(jì)表征中，物理電路單元尚未建立，難點(diǎn)在于電容和活動率的取值。有兩個(gè)想法：

1）理論估計(jì)：

C 是從電路復(fù)雜度中獲得的，它是通過算術(shù)、邏輯運(yùn)算的數(shù)量、狀態(tài)的數(shù)量和轉(zhuǎn)換率來衡量的。

活動率可以從信息論中估計(jì)。

2）實(shí)驗(yàn)估計(jì)：通過快速綜合得到寄存器傳輸級的原型，然后估計(jì)電容和活動率。

3.注冊傳輸階段

第一步是為庫中的**設(shè)計(jì)組件建立功耗信息公式。方法是通過仿真計(jì)算不同環(huán)境變量組合下的功耗數(shù)據(jù)，并繪制成曲線形式。然后，通過對電路結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析或動態(tài)仿真，收集電路運(yùn)行的概率數(shù)據(jù)，代入上式，得到各元件的功耗值。最后，將所有組件的功耗值相加，得到總功耗。

4.門平

與寄存器傳輸階段不同的是，基本單元是工藝庫中的標(biāo)準(zhǔn)單元，功耗方程是通過電路仿真得到的，所以比較準(zhǔn)確。

5.晶體管和板層

已獲得所有布線電容、單元負(fù)載和驅(qū)動器。根據(jù)晶體管和布線模型的電壓和電流方程，可以計(jì)算出準(zhǔn)確的功耗數(shù)據(jù)。

3.2 估計(jì)過程

由于指令級和行為級估計(jì)的準(zhǔn)確性太差，而電路級估計(jì)耗時(shí)太長，在業(yè)界實(shí)踐中很少使用。RTL 和門級估計(jì)是常見的選擇。實(shí)際功率分析的執(zhí)行必須借助工具。目前，業(yè)界通常的選擇是使用 RTL 級別的電源和 .

下面以功率為例說明門級估計(jì)的步驟。

在 dc 之前電路板設(shè)計(jì)，設(shè)置以下變量：

轉(zhuǎn)變成。saif 文件（注意是csh調(diào)用的，不在界面中）

讀取 ddc 網(wǎng)表

4 功耗優(yōu)化

4.1優(yōu)化原理

 顯示了幾種典型設(shè)計(jì)的配電數(shù)據(jù)：

我們的目標(biāo)是降低時(shí)鐘樹、標(biāo)準(zhǔn)單元和內(nèi)存的功耗。功耗和性能往往是矛盾的：

1）使時(shí)鐘變慢（少的轉(zhuǎn)換），但我們想要快的處理。

2）降低 Vdd，但較小的 Vdd 會限制時(shí)鐘速度。

3）少的電路，但多的晶體管做多的工作。

簡而言之，我們希望以較少的精力完成較多的任務(wù)。實(shí)現(xiàn)方法是細(xì)化電路動作的控制，只讓剛需要的電路在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，不浪費(fèi)一分錢。完成這項(xiàng)任務(wù)需要設(shè)計(jì)人員有效地管理電路的動作。

現(xiàn)代系統(tǒng)是如此復(fù)??雜，以至于設(shè)計(jì)者不得不將其分解成幾個(gè)層次，一步一步地去掌握：

在每一層，設(shè)計(jì)者的控制范圍和電路動作的手段都是不同的。軟件是硬件動作的主調(diào)度器，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體應(yīng)用關(guān)閉整個(gè)模塊或減少無效動作。進(jìn)入架構(gòu)層，視角轉(zhuǎn)向如何將設(shè)置任務(wù)合理分配給各個(gè)模塊，較高效地協(xié)調(diào)動作，如分布式計(jì)算、并行計(jì)算等。在邏輯層，考慮如何實(shí)現(xiàn)一步操作并僅使所需的電路運(yùn)行。線路層的視角精準(zhǔn)。通過調(diào)整平衡信號的到達(dá)時(shí)間、驅(qū)動單元的大小等，使電路的動作能耗降到較低。這里有一個(gè)重要的規(guī)則，

在高抽象級別比在低抽象級別降低功耗有效。

因此，降低功耗是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要軟件、硬件、電路和工藝的共同努力。在這里，我們將從架構(gòu)和邏輯的角度進(jìn)行以下討論。

4.2 架構(gòu)注意事項(xiàng)

1）在分體工作模式下，硬件必須能夠提供接口，以便軟件能夠控制電路模塊的動作。不工作的模塊掛起。

2）分布式計(jì)算：將整個(gè)任務(wù)分成不同的模塊，內(nèi)部處理高活躍度信號。雖然總計(jì)算量沒有改變，但是對于單個(gè)模塊來說，時(shí)間要求降低了，頻率可以降低或降低。

3）并行計(jì)算：相同時(shí)間的計(jì)算量相同，但可以降低頻率/壓力。（計(jì)算量=開關(guān)數(shù)量，開關(guān)數(shù)量沒有變化，但降低了每個(gè)開關(guān)的功耗成本）

4）：減少每步的計(jì)算量，在同等性能??的情況下可以降低運(yùn)行頻率。

5）可編程性和硬連線之間的權(quán)衡：可編程性越高，完成相同任務(wù)所需的功率就越多。

4.3 RAM 功耗優(yōu)化

顯然，大RAM比小RAM消耗多的電量，將整塊RAM分成小塊可以降低訪問功耗。

值得注意的是，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為片選信號無效，RAM進(jìn)入較低功耗。事實(shí)上，如果此時(shí)它的數(shù)據(jù)/地址端口信號翻轉(zhuǎn)，會消耗相當(dāng)大的功率（大約是有功功率消耗的20%）。不訪問時(shí)，較好的辦法是保持片選無效，地址和數(shù)據(jù)都是常數(shù)值。

4.4 個(gè)時(shí)鐘樹單元/線

4.4.1時(shí)鐘門控原理

在一個(gè)典型的數(shù)字芯片中，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗可以占到總功耗的50%，這是一個(gè)巨大的數(shù)字。一個(gè)成熟的解決方案是使用時(shí)鐘門控，它會關(guān)閉當(dāng)前非活動邏輯的時(shí)鐘樹。例如，在以下邏輯中，當(dāng) EN 為 0 時(shí)，可以關(guān)閉右側(cè) bank 的時(shí)鐘。

添加時(shí)鐘門控邏輯有兩種方法：手動和自動。

a) 手動方式

在每個(gè) IP 塊的時(shí)鐘根節(jié)點(diǎn)添加，可以通過編程產(chǎn)生 EN 信號。

b) 自動方式

> le() 選擇時(shí)鐘門控的方式和條件

> 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

> 選通限定邏輯

> s - 添加到時(shí)鐘門控單元的時(shí)序約束

手動和自動的結(jié)合可以達(dá)到較佳的效率。

4.4.2 門控單元選擇

a) 基于鎖存器 (）

設(shè)計(jì)者可以通過以下le的選擇來控制門控單元的選擇

選擇考慮：

1）latch：用還是不用，這是個(gè)問題。

在無鎖存方案中，EN信號必須在時(shí)鐘下降沿之前穩(wěn)定，否則時(shí)鐘會出現(xiàn)毛刺，只剩下半個(gè)時(shí)鐘周期讓EN產(chǎn)生邏輯。基于鎖存器的方案沒有這個(gè)限制，但是鎖存器的引入增加了時(shí)序分析和測試的復(fù)雜度。因此，選擇哪種方案需要設(shè)計(jì)者權(quán)衡。

2）上升沿/下降沿寄存器需要*不同的門控單元

例如，基于鎖存器的方案：上升沿 FF 使用與門，下降沿 FF 使用或門

3） 時(shí)鐘門控單元/正常單元

在庫生成期間，可以創(chuàng)建專門的集成時(shí)鐘門控單元以獲得好的時(shí)序。

4.4.3 時(shí)序分析

通過 le -setup -hold 或 ck *。

該值需要考慮時(shí)鐘偏差的影響。

4.4.4 配合dft工藝

控制點(diǎn)的位置和控制信號可以通過以下命令來控制：

測試中無法測量EN信號和邏輯中的信號。解決方案是添加觀察邏輯。

在測試模式下，觀察邏輯允許觀察 ENL 信號，而在正常操作模式下，異或樹不消耗功率。

3）測試信號連接到**層測試端口

時(shí)鐘門控單元的測試信號需要連接到**層的測試端口，通過如下命令進(jìn)行，

如果**層有*端口，則直接連接，否則創(chuàng)建并連接該端口。


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