功耗优化 是指在保持设计功能、安全性和安全 的前提下,将数字电子设计的功耗降低至最优水平的过程。该过程利用电子设计自动化工具和方法来确定最优功耗水平。要找到最优功耗水平,需要对性能与面积之间的权衡进行精细分析。功耗优化 可分为静态功耗和动态功耗两类。动态功耗包括开关功耗和短路功耗,而静态功耗则是漏电 ,即器件处于非活动状态时流经晶体管的电流。
随着当今设计速度的加快和复杂度的提高,器件功耗也必须大幅增加。此外,向埃级尺寸迈进的趋势进一步加剧了这一挑战。这种复杂性意味着手动功耗优化 不仅速度太慢,而且极有可能引入错误。
漏电功耗
漏电 在90至20纳米的平面工艺几何尺寸范围内,功耗是设计团队的首要关注点,因为动态功耗(10-15%)相对于静态功耗漏电 (85-95%)而言微不足道。 随着行业向16至14纳米的FinFET 工艺转型,器件对漏电 功耗的控制能力得到了提升。FinFET是一种基于基底 的多栅极器件,其栅极位于通道的两侧、三侧或四侧,或环绕通道,形成双栅极的3D结构。然而,这种多栅极结构导致器件每次切换时功耗增加,从而影响动态功耗。
红外辐射(infrared radiation)-Drop
随着工艺几何尺寸的缩小,导线不得不变得更细、间距更近,从而形成更密集的布局。在此情况下,红外辐射(infrared radiation)-drop 便成为一个需要考虑的因素。红外辐射(infrared radiation)-drop(通常称为压降 )是指电流沿任何具有电阻的路径流动时,电压随之降低的现象。当供应给逻辑单元的电压降低并导致其延迟发生变化时,可能会导致建立时间和保持时间规格被违反。此外,还可能出现源自片上电源/地网的电源网络中的误报 。
每瓦性能
每瓦性能已成为设计质量方面的首要关注点之一,领先的 这源于技术重点和设计方法论的转变功耗优化 。可变工作电压在优化每瓦性能方面具有巨大潜力,但需要一种准确且高效的签核方法来加以探索。
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电源管理
低功耗设计技术所需的功耗意图是通过IEEE (标准 )和1801统一功耗格式(UPF )来捕获的。设计UPF 文件是一个手动且繁琐的过程,且在SoC设计流程中,该文件并不总能从一个抽象层级无缝扩展到另一个抽象层级,或从一个工具无缝迁移到另一个工具。设计和优化UPF 需要对不断演进的标准 有透彻的理解。
功率分析
器件的设计旨在操作 ,且需在特定的功耗范围内。要通过精确的功耗分析来验证是否达到了功耗目标,是一项具有挑战性的任务。在传统的设计流程中,精确的功耗分析往往进行得太晚,以至于如果未能达到功耗目标,已无法进行设计修改。设计要么在不满足功耗规格的情况下按时流片,要么为确保达到功耗目标而导致进度延误。这两种情况都可能造成巨大的成本损失,并导致错失上市时间 窗口。
验证
针对先进低功耗设计(包括模拟和数字设计)的功耗感知验证,是32纳米及以下工艺产品面临的首要问题。了解验证覆盖率是优化低功耗设计功耗的一大难点。
| 挑战 | 描述 | 冲击 |
| 漏电功耗 | 平面工艺节点(90-20纳米)中漏电 值较高,而在FinFET 工艺节点(16-14纳米)中该问题已得到缓解 | 静态功耗较高;FinFET 技术虽已有所改善,但动态功耗…… |
| 红外辐射(infrared radiation)-Drop | 压降 由于高密度布局带来的阻力 | 超时违规,增加误报 |
| 每瓦性能 | 关键质量指标;可变电压虽有帮助,但较为复杂 | 需要准确、高效的方法 |
| 电源管理 | 手动设计UPF 既繁琐又难以扩展 | 既费时又容易出错 |
| 功率分析 | 在流程中发生得太晚;要么是功率规格未达标,要么是出现了延迟 | 成本高、延误上市时间 |
| 验证 | 在32纳米及以下工艺节点上,很难实现全面的功耗感知验证 | 存在漏洞的风险;覆盖范围缺口 |
低功耗设计并非一蹴而就。它涉及一系列旨在降低整体动态和静态功耗的技术与方法。优化功耗的设计贯穿整个芯片设计过程,通常采用的设计与验证方法包含五个主要阶段:
| 相 | 目标 |
| 静态功验证 | 分析并降低漏电 的功耗 |
| 动态功耗验证 | 分析开关功率和短路功率 |
| 基于软件的功耗分析 | 分析软件工作负载下的功耗 |
| 电源实现 | 实施低功耗设计技术 |
| 签核 | 功率目标的最终核查与批准 |
新思科技这些解决方案使SoC设计人员能够在满足PPA 目标的同时,通过在设计流程的每个阶段最大限度地利用降功耗机会,从而实现最佳的能效比 。
| 工具 | 目的 | 设计阶段 |
| Platform Architect™ | 早期性能与功耗的权衡 | RTL之前的架构 |
| ZeBu® 赋能 | 硬件加速 助力软件工作负载 | 硬件仿真 |
| SpyGlass® 功率 | 快速周转的RTL功耗探索 | RTL开发 |
| PrimePower RTL + Architect | 精确的RTL功耗分析 | RTL 成熟 |
| Fusion Compiler™ | RTL到GDSII 的实现,功耗验证 | 物理实现 |
| ICCompiler II™ | 布局与布线解决方案 | 物理实现 |
| 新思科技 TestMAX™ | 功耗优化的测试图案生成 | 测试 |
| Verdi UPF Architect | 自动生成UPF | 电源管理 |
| VC 回放 | 基于仿真数据的早期功效分析 | 仿真/分析 |
| VCSNLP + VC LP | 低功耗静态规则检查 | 设计验证 |