芯片設(shè)計中的功耗估計與優(yōu)化技術(shù)

作者：時間：2016-09-12 來源：網(wǎng)絡(luò)

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3.2估算的流程

因為指令與行為級估算的精確度太差，電路級估算的耗時過多，所以在業(yè)界的實踐中采用較少。RTL與gate級估算是常用的選擇。實際功耗分析的執(zhí)行必須借助工具的輔助，目前業(yè)界通常的選擇是在RTL級采用power compiler，在門級采用primepower。

圖2

下面以power compiler為例，說明門級估算的步驟。

在dc compile前，設(shè)置下面的變量：

power_preserve_rtl_hier_names = false/true

編譯

寫出ddc文件

仿真生成vcd 文件

vcd2saif轉(zhuǎn)化為.saif文件 (注意vcd2saif由csh調(diào)用，而不是在dc_shell界面調(diào)用)

讀入ddc網(wǎng)表

read_saif

report_power

4 功耗的優(yōu)化

4.1優(yōu)化的原則

圖3是幾個典型設(shè)計中功耗分布數(shù)據(jù)：

(數(shù)據(jù)來自“International Solid-State Circuits Conference”)

圖3

我們的目標(biāo)是減少時鐘樹、標(biāo)準(zhǔn)單元和存儲器的功耗。功耗與性能通常是充滿矛盾的：

1)使時鐘變慢(更少的轉(zhuǎn)換)，但我們想要更快的處理速度。

2)減小Vdd，但Vdd變小會限制時鐘速度。

3)更少的電路，但更多的晶體管可以做更多的工作。

簡言之，我們想用最少的能量完成最大量的任務(wù)。實現(xiàn)方式是對電路動作的控制精細(xì)化，僅讓恰好需要的電路，在需要的時間內(nèi)動作，而不浪費分毫。完成這一任務(wù)，需要設(shè)計者有效率地管理電路的動作。

現(xiàn)代系統(tǒng)是如此復(fù)雜，以致設(shè)計者必須切分為若干層次，分步前行才能把握：

軟件 -> 架構(gòu) -> 邏輯 -> 電路

每一層次中，設(shè)計者對電路動作的控制范圍和手段都是不同的。軟件是硬件動作的總調(diào)度師，設(shè)計者可以根據(jù)特定應(yīng)用，關(guān)掉整個模塊或減少無效的動作。進(jìn)入架構(gòu)層，視角轉(zhuǎn)為怎樣將設(shè)定任務(wù)合理分配到各個模塊，協(xié)調(diào)動作最有效率，如pipeline、分布式計算、并行計算等。在邏輯層，則考慮怎樣實現(xiàn)一步動作僅使需要的電路動作。電路層的視角更為精細(xì)，通過調(diào)節(jié)平衡信號到達(dá)時間，驅(qū)動單元大小等手段，使電路的動作耗能最小。這里存在一個重要規(guī)律，稱作效率遞減率：

在高的抽象層次減少功耗的效率會比低的層次更高。

所以，降低功耗是一個系統(tǒng)工程，需要軟件、硬件、電路、工藝等人員的共同努力。這里，我們將采用架構(gòu)與邏輯的視角進(jìn)行下面的討論。

4.2 架構(gòu)考慮

1)切分工作模式，硬件要可以提供一個接口，以使軟件可以控制電路模塊的動作與否。不工作的模塊掛起。

2)分布式計算：將整個任務(wù)切分到不同模塊，在內(nèi)部處理高活動性信號。

雖然總計算量沒有改變，但對單個模塊，時間要求降低，可以降頻或降壓。

3)并行計算：相同時間內(nèi)計算量相同，但可降頻/壓。

(計算量=開關(guān)的次數(shù)，開關(guān)次數(shù)沒變，但每次開關(guān)的功耗成本降了)

4)pipeline

每步的計算量減少，可以在性能相同的情況下，降低工作頻率。

5)可編程性與hard-wire的權(quán)衡

可編程性越強(qiáng)，完成相同的任務(wù)耗電越多。

(見參考文獻(xiàn)[7])

圖4

4.3 RAM的功耗優(yōu)化

很明顯，大的RAM比小的RAM耗電要多，將整塊的RAM分成小塊可以降低存取功耗。

圖5

值得注意的一點是，多數(shù)設(shè)計者認(rèn)為片選信號無效，RAM即進(jìn)入最小功耗。實際上，若此時其數(shù)據(jù)/地址端口信號有翻轉(zhuǎn)，會耗費相當(dāng)?shù)碾娏?約占激活功耗的20%)。在不存取時，最佳的方式是，保持片選無效，地址、數(shù)據(jù)是恒定值。

4.4時鐘樹單元/連線

4.4.1 時鐘門控的原理

在典型的數(shù)字芯片中，時鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗可以占到總量的50%，這是一個龐大的數(shù)字。一個行之有效的方案是使用時鐘門控，將當(dāng)前未工作邏輯的時鐘樹關(guān)閉。比如下面的邏輯，在EN是0時，可以將右側(cè)的register bank的時鐘關(guān)閉。