Power estimation and optimization based on ASIC design

尹遠(yuǎn)，黃嵩人
（湘潭大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

       摘要：隨著芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和規(guī)模越來越大，現(xiàn)如今ASIC芯片的功耗要求也越來越高。低功耗設(shè)計(jì)作為一個(gè)重要目標(biāo)，需要設(shè)計(jì)者格外重視^[1] 。在本文中，首先討論了功耗的組成及來源，闡述了在設(shè)計(jì)初期的功耗評估，以及功耗優(yōu)化的思路^[1] 。接著描述了功耗優(yōu)化的具體操作技巧，其中詳細(xì)描述了時(shí)鐘門控的原理、實(shí)現(xiàn)流程等，最后對功耗優(yōu)化的效果進(jìn)行分析和比較。
      關(guān)鍵詞：低功耗設(shè)計(jì)；功耗評估；功耗優(yōu)化；時(shí)鐘門控

　　0 引言

       隨著便攜式導(dǎo)向的消費(fèi)類電子產(chǎn)品的需求不斷增大，便攜式電子設(shè)備的低功耗需求、基于可靠性與性能影響的考慮、芯片設(shè)計(jì)及制造的成本影響等，都體現(xiàn)了低功耗設(shè)計(jì)的需求和必要性。因而對功耗要求也越來越高，低功耗設(shè)計(jì)已逐漸成為衡量電子產(chǎn)品是否成功的重要指標(biāo)，使得芯片設(shè)計(jì)者也越來越重視對功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。近來工藝技術(shù)的快速提高，面積、速率、溫度等性能要求不斷提升，這些改變對芯片的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)有著很重要的影響。尤其對于追求低功耗、微型化、高可靠性等目標(biāo)的ASIC芯片來說，更是面臨著不小的挑戰(zhàn)。
　　本文將介紹芯片功耗的來源和構(gòu)成，及其基本概念。然后介紹芯片的功耗的評估計(jì)算方法和途徑，提出在ASIC芯片設(shè)計(jì)中進(jìn)行功耗優(yōu)化的思路，同時(shí)結(jié)合EDA工具輔助實(shí)現(xiàn)，介紹對芯片設(shè)計(jì)初期階段的核心功耗進(jìn)行優(yōu)化的具體操作流程，最后進(jìn)行功耗優(yōu)化后的分析。
　　1 功耗的構(gòu)成

　　功耗的構(gòu)成按照類型分類，主要由動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩部分構(gòu)成，通常動態(tài)功耗占芯片整體功耗的絕大部分 [2] 。
　?。?）動態(tài)功耗，是電路在工作時(shí)所消耗的能量。
　　對于CMOS電路，動態(tài)功耗又分為開關(guān)功耗和短路功耗，即P_Dynamic =P_switch +P_internal^[3] 。開關(guān)功耗也稱為翻轉(zhuǎn)
功耗（Switching Power），由電路翻轉(zhuǎn)時(shí)對負(fù)載電容充放電引起，即

　　短路功耗也叫內(nèi)部功耗（Internal Power），在輸入翻轉(zhuǎn)時(shí)PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)通的瞬間電流形成，即P_internal =V_DD ·T_r·Q_x^[4]。

　?。?）靜態(tài)功耗，是在電路沒有翻轉(zhuǎn)只供電的情形下，晶體管中漏電流造成的功耗，所以也叫漏電功耗（Leakage Power），公式為P_leakage=V_DD·I_leakage。靜態(tài)功耗的來源有幾種方式，很大比例是由源極和漏極之間的亞閾值漏電流造成，另外還有柵極漏電流、柵極和襯底之間的隧道漏電流等引起的漏電功耗。
　　上述公式中，V_DD為電路供電電壓，C為門電路的等效電容負(fù)載，T_r為信號的翻轉(zhuǎn)率，為一次翻轉(zhuǎn)過程中電源到地的電荷量，I_leakage為泄漏電流。

　　2 功耗的評估
　　功耗評估是低功耗設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，在芯片設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，都有相應(yīng)的方法去評估功耗，提前幫助設(shè)計(jì)者更科學(xué)有效的做好功耗優(yōu)化。
　　2.1 功耗評估方法
　　在設(shè)計(jì)前期階段，對功耗的估算主要可以通過手動計(jì)算和工具自動評估。
　?。?）手動計(jì)算：通過對功耗來源的分析，根據(jù)功耗總公式P=P_switch+P_internal+P_leakage，再結(jié)合工藝庫中有關(guān)功耗的信息，進(jìn)行理論估計(jì)。根據(jù)上文中提到的公式，可以由重要的參數(shù)進(jìn)行功耗的具體估算，再根據(jù)不同的條件在工藝庫中查找對應(yīng)的信息。工藝庫中包含了標(biāo)準(zhǔn)單元的功耗信息，在使用軟件或手動對RTL級代碼和門級網(wǎng)表做功耗分析時(shí)，都需要用到。
　?。?）工具自動評估：在RTL級代碼完成后，可以通過Spyglass等軟件進(jìn)行低功耗的代碼風(fēng)格檢查，找出可進(jìn)行優(yōu)化的邏輯模塊。一般常用Synopsys公司的工具（從屬于Design Compiler），對RTL級和門級網(wǎng)表進(jìn)行分析并優(yōu)化。
　　由于電路級的功耗評估的延時(shí)過多，需要大量的時(shí)間和資源，所以在工業(yè)實(shí)踐中很少采用。實(shí)際的功耗分析常對設(shè)計(jì)初期的RTL級和門級網(wǎng)表進(jìn)行，通過工具自動計(jì)算出功耗的數(shù)值，因是在理想情況且忽略了包括物理設(shè)計(jì)等因素，所以獲得的結(jié)果不夠精確，但對低功耗設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。物理設(shè)計(jì)完成后可通過Prime Time PX工具精確計(jì)算功耗，不過屆時(shí)再降低功耗收益就小了。
　　2.2 功耗評估流程

　　在實(shí)際大規(guī)模的集成電路項(xiàng)目中，通過手工計(jì)算功耗是不現(xiàn)實(shí)的，一般需要借助EDA工具。以Power Compiler來說，功耗的分析主要兩種方法，分別是設(shè)置翻轉(zhuǎn)率（無向量分析法）和仿真分析法，都需要獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)的開關(guān)行為情況。
　　仿真分析法更方便精確，其關(guān)鍵是獲得文件，本質(zhì)是一種記錄開關(guān)動態(tài)行為的內(nèi)部交換格式的文件，后用軟件讀取進(jìn)行功耗分析。SAIF文件可由VCS等仿真工具對RTL級電路仿真或者門級網(wǎng)表電路仿真后得到，之后便可進(jìn)行功耗分析[5] 。
　　3 功耗的優(yōu)化

　　3.1 功耗的優(yōu)化思路

　　一般而言，可利用自頂向下的方法進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的思考，而且優(yōu)化的抽象層級越高，越能獲得顯著的功耗降低效果。首先應(yīng)從系統(tǒng)與架構(gòu)級層面思考功耗優(yōu)化，然后思考在RTL級與門級進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的方法。
　?。?）系統(tǒng)與架構(gòu)級功耗優(yōu)化：在設(shè)計(jì)初期的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層級，可以通過優(yōu)化算法使得如加法器、乘法器、存儲等資源和操作的使用最小化，實(shí)現(xiàn)對硬件資源的合理配置與使用。也可以增加休眠待機(jī)模式，減少芯片不必要的工作時(shí)間。
　　（2）合理選擇并行或者流水線技術(shù)，可以適當(dāng)降低功耗。采用并行處理可以降低系統(tǒng)工作頻率，從而可降低功耗^[6]。流水線技術(shù)（Pipeline）是將組合邏輯系統(tǒng)地拆分，并在各級之間插入寄存器，這樣每一步小操作的時(shí)間減小，可提高工作頻率，又能并行執(zhí)行提高處理速度，還能以較低的電壓來驅(qū)動系統(tǒng)。
　　（3）邏輯優(yōu)化與資源共享：RTL級代碼設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)行邏輯優(yōu)化，減少硬件資源消耗。使用良好的編碼風(fēng)格，利用數(shù)據(jù)編碼來降低開關(guān)活動，例如用格雷碼比用二進(jìn)制碼翻轉(zhuǎn)更少，功耗更低^[6]。簡化狀態(tài)機(jī)，降低每次工作的狀態(tài)機(jī)的寄存器數(shù)量，為功耗降低提供了可能性。進(jìn)行邏輯共享，提高如FIFO、查找表、RAM存儲資源的利用率。
　　此外在RTL級與門級中，常采用的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)是時(shí)鐘門控^[7]。

　　3.2 時(shí)鐘門控

　　3.2.1 時(shí)鐘門控原理

　　動態(tài)功耗是芯片功耗主要部分，是由電路翻轉(zhuǎn)引起負(fù)載電容的充放電，所以降低電路中冗余的翻轉(zhuǎn)動作，關(guān)閉未工作時(shí)的電路的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)使其處于靜態(tài)，是一種降低功耗的重要思路。時(shí)鐘門控技術(shù)通過控制時(shí)鐘的翻轉(zhuǎn)，降低電路的翻轉(zhuǎn)率，從而達(dá)到降低動態(tài)功耗的目的，使用門控時(shí)鐘技術(shù)能有效降低芯片的系統(tǒng)動態(tài)功耗，所以在低功耗設(shè)計(jì)中使用較多，廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中^[2]。

　　如圖2所示，通過門控單元控制時(shí)鐘信號的翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對寄存器或模塊的工作時(shí)鐘的開關(guān)控制，決定數(shù)據(jù)是否向下一級邏輯傳播。避免了冗余信號的翻轉(zhuǎn)，從而降低了電路的動態(tài)功耗^[8]。
　　隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的增大，通過手動方式添加時(shí)鐘門控邏輯效率很低，因而目前業(yè)界主流是通過EDA工具在綜合階段根據(jù)RTL級代碼的特點(diǎn)自動插入時(shí)鐘門控邏輯^[2]。
　　3.2.2 時(shí)鐘門控單元的選擇

　　時(shí)鐘門控的實(shí)現(xiàn)方式有多種，最常用的是free和Latch-based。Latch-free類型時(shí)鐘門控一般是由結(jié)構(gòu)簡單的與門或者或門電路組成，但對時(shí)序要求較高。比如由與門組成的電路波形圖中時(shí)鐘信號CLK和使能信號EN相與，得到的門控時(shí)鐘GCLK出現(xiàn)了毛刺，影響了電路的穩(wěn)定性^[2]。因此大部分設(shè)計(jì)使用Latch-based時(shí)鐘門控電路，其電路圖如下：

　　3.2.3實(shí)現(xiàn)流程

　　上圖描述了利用DC工具插入時(shí)鐘門控單元的流程，首先是選定時(shí)鐘門控類型，然后讀取RTL設(shè)計(jì)文件、定義時(shí)鐘策略，再插入指定類型的時(shí)鐘門控單元，最后邏輯綜合的過程^[2] 。其中選取時(shí)鐘門控類型是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，具體命令如下：指定使用基于latch的門控電路類型，-minimum_bitwidth意味著一個(gè)門控時(shí)鐘至少需要3個(gè)寄存器，指定時(shí)鐘上升沿/下降沿觸發(fā)的寄存器所用的門控單元，-setup/hold指定的是setup/hold time的約束，-maxfanout指定的是最大扇出數(shù)^[5]。另外可以查看工具手冊，進(jìn)行更多自定義選擇。
　　3.2.4 結(jié)果分析

　　基于某ASIC工程在臺積電90 nm工藝下進(jìn)行實(shí)踐，獲得的結(jié)果如下：被時(shí)鐘門控的寄存器占比達(dá)90%，因而能控制寄存器翻轉(zhuǎn)，可有效降低動態(tài)功耗。統(tǒng)計(jì)功耗優(yōu)化前后的具體數(shù)據(jù)，如表1所示。在90 nm工藝下，從DC綜合后獲得的信息來看，可以直觀看出功耗降低效果顯著，面積也節(jié)省了約37%，實(shí)踐證明時(shí)鐘門控技術(shù)是一種行之有效的降低功耗的方法。
　　4 結(jié)論

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第1頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處在目前日趨復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)中 ， 更 加 追 求 性能、面積、功耗等設(shè)計(jì)目標(biāo)，低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)已是重要指標(biāo)之一。本文從設(shè)計(jì)需求實(shí)際出發(fā)，首先分析了功耗的構(gòu)成及來源，然后闡述了功耗評估的方法，最后基于ASIC設(shè)計(jì)重點(diǎn)講述了功耗優(yōu)化的若干方法，并對時(shí)鐘門控技術(shù)做主要說明，并實(shí)踐證明獲得了顯著的功耗降低效果^[1]。
　　影響功耗的因素眾多，優(yōu)化的方法也很多，需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，在不同的設(shè)計(jì)階段綜合運(yùn)用不同的優(yōu)化方法來降低功耗，全局綜合考慮，以達(dá)到功耗、性能、面積等多方面的優(yōu)化提升^[9]。

　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 于立波.芯片設(shè)計(jì)中的功耗估計(jì)與優(yōu)化技術(shù)[J].中國集成電路,2010,19(06):37-43.
　　[2] 茅錦亮.動態(tài)時(shí)鐘門控管理策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].東南大學(xué),2014.
　　[3] Synopsys. Low Power Methodology Manual[EB/OL].www.synopsys.com/lpmm.
　　[4] 楊玲.基于電路級的低功耗關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué),2010.
　　[5] Synopsys. Power Compiler User Guide[EB/OL].www.synopsys.com.
　　[6] 王彬, 任艷穎.數(shù)字IC系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2005
　　[7]喻賢坤,姜爽,王磊,王莉,彭斌.數(shù)字集成電路門控時(shí)鐘可靠性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,43(01):60-63+67.
　　[8] 嚴(yán)石.面向DSP的時(shí)鐘門控技術(shù)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué),2016.
　　[9] 袁博.集成電路設(shè)計(jì)中乘法器的低功耗算法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2013.
　　作者簡介：
　　尹遠(yuǎn)（1993-），男，湖南張家界人，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。
　　黃嵩人（1972-），男，江蘇無錫人，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：SOC設(shè)計(jì)，射頻識別技術(shù)。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第54頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處