如何降低MIPS CPU 50％的動(dòng)態(tài)功耗

設(shè)計(jì)CPU需要很多技巧和努力。拿到一個(gè)CPU設(shè)計(jì)并降低其50%的動(dòng)態(tài)功耗需要一系列特殊的技巧，這也是CPU設(shè)計(jì)人員漫長職業(yè)生涯的要取得的技能之一。

在成功推出第一款PowerVR Rouge GPU的DOK后，Imagination和Synopsys展開第二個(gè)項(xiàng)目合作，旨在不犧牲任何性能領(lǐng)先數(shù)字的前提下顯著降低MIPS處理器的功耗。

動(dòng)態(tài)功耗是SoC設(shè)計(jì)人員中一個(gè)熱門的(請?jiān)忂@個(gè)雙關(guān)語)話題

降低動(dòng)態(tài)功耗是很多系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)人員目前面臨的一大挑戰(zhàn)。對可綜合IP來說目前有各種不同的選擇和考慮因素。同一IP可以應(yīng)用在不同市場中的各式各樣應(yīng)用中。最重要的是，工藝、工具和流程是額外需要考慮的挑戰(zhàn)。

性能、功耗和面積(PPA)的權(quán)衡取舍不同，依賴于不同的工藝，也依賴于客戶的實(shí)現(xiàn)要求。

Synopsys公司最近組織的一期研討會一文總結(jié)了來自于Imagination公司的Maya Mohan和NageshSakhamuru提出的一些選項(xiàng)，可用于Synopsys工具與流程使用28nm技術(shù)的情景下。

其主要目標(biāo)是使用特定的工藝和各子庫方案與Synopsys工具和流程結(jié)合的時(shí)候，介紹給SoC設(shè)計(jì)人員能夠節(jié)省動(dòng)態(tài)功耗的各個(gè)方面。作者把很多重點(diǎn)放動(dòng)態(tài)功耗相對于泄漏功耗上，并給出了特定技術(shù)庫IP選擇時(shí)每一步驟和流程階段相應(yīng)的功耗降低情況。

這個(gè)項(xiàng)目中CPU選擇的是MIPS interAptiv，它屬于Aptiv家族，是一個(gè)超高效的多線程處理器。在一般情況下，CPU期望以最高性能運(yùn)行，同時(shí)保持動(dòng)態(tài)功耗盡可能地低。然而，以峰值性能運(yùn)行也可能會增加動(dòng)態(tài)功耗;這就引發(fā)了需要尋找方法在持續(xù)性能與降低功耗之間取得平衡。

動(dòng)態(tài)功耗有多個(gè)部件

您可以在一個(gè)CPU核心找到各種動(dòng)態(tài)功耗部件，標(biāo)記如下：存儲器(M-Power)，指令和數(shù)據(jù)高速緩存，寄存器(R-power)，葉級的時(shí)鐘門控和非門控的寄存器，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)單元(Ck-power)，時(shí)鐘門控和緩沖區(qū)以及組合單元(C-power)。

功耗部件標(biāo)記: Ck:時(shí)鐘, R: 寄存器, M: 存儲器, C: 組合電路

對于每個(gè)以上四個(gè)分類，又細(xì)分為兩個(gè)子部件：內(nèi)部功耗和開關(guān)功耗。每一部分都被單獨(dú)分析，并且在每次動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化時(shí)各種選項(xiàng)也都會被考慮。

基線版本動(dòng)態(tài)功耗的內(nèi)部和開關(guān)子部件分布情況

綜合在DCT/ DCG中進(jìn)行，而布局布線則在ICC中執(zhí)行。兩個(gè)階段都測量了功耗：DCT后期以及ICC后期?；谝恢滦钥紤]，研討會所有報(bào)告的功耗數(shù)據(jù)都取自ICC后期數(shù)據(jù)庫，通過門級仿真的開關(guān)行為獲得。參數(shù)提取由StarRC完成，Dhrystone診斷在門仿真時(shí)被使用，PT-PX用于功耗測量。

上圖顯示了MIPS interAptiv CPU的總動(dòng)態(tài)功耗的各個(gè)子部件。這個(gè)基線版本被用于其它方法和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較的對象。

通常動(dòng)態(tài)功耗使用mW/ MHz測量，但對于本項(xiàng)目，基線版本運(yùn)行的總功耗被歸一化為100，其它版本的運(yùn)行功耗基于這一數(shù)字得出。

正如從上圖中所看到的，時(shí)鐘功耗只點(diǎn)總功耗的約16%。從這里的圖表中，我們不難看出，功耗的最大消費(fèi)者是內(nèi)部存儲器和寄存器，以及組合邏輯的開關(guān)功耗：

•開關(guān)功耗正比于開關(guān)電容大小和切換次數(shù)。為了提高寄存器和組合邏輯的功耗水平，在DCT中大部分優(yōu)化使用了基于RTL的SAIF與自我門控技術(shù)。在ICC中各種動(dòng)態(tài)功耗降低特性也在網(wǎng)絡(luò)研討會中進(jìn)行了探討，以及運(yùn)行最后階段的新CCD(并行時(shí)鐘和數(shù)據(jù))特性。

•內(nèi)部功耗正比于單元的數(shù)目、單元大小和切換次數(shù)。降低寄存器的內(nèi)部功耗可通過替換為較小尺寸的單元以及降低切換次數(shù)。也可以使用更低軌道的工藝庫(例如，從12軌道轉(zhuǎn)換至9軌道)提供了相對于性能和面積降低功耗的另一種折衷。內(nèi)部存儲器的功耗主要?dú)w因于所選擇的大小或存儲器類型。Synopsys的存儲器編譯器有多種內(nèi)存可供選擇。筆者選擇了一個(gè)基于RF的組合，結(jié)合了高性能以及高密度的單端口存儲器，這種組合一般用于平衡(高效的)功耗/性能需求。

非常令人激動(dòng)的結(jié)果!

所有上述特性和技術(shù)的結(jié)合在一起顯著降低了功耗。下面的流程圖描述了Synopsys的綜合工具和ICC中所使用的最終工具選項(xiàng)：

最終流程圖

在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，總功耗降低了約48%，面積減少了46%，而代價(jià)為只降低了CPU15%的性能表現(xiàn)。

相對于12軌道、SRAM的基線版本所有運(yùn)行版本優(yōu)化動(dòng)態(tài)功耗后的表現(xiàn)

上表顯示了所有上述實(shí)驗(yàn)和相應(yīng)功耗;要查看完整結(jié)果，請下載完全白皮書，下載后您會看到這個(gè)過程中每一步驟對應(yīng)功耗和面積的減少。