SoC 設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘低功耗技術(shù)

　　1 概述

　　SoC 芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜度日益增加，其內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，一個(gè)SoC 芯片內(nèi)部通常存在若干個(gè)時(shí)鐘域，由時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)引起的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗成為近年來的研究熱點(diǎn)。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)引起的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗分為2 個(gè)方面：（1）由于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的作用是為芯片內(nèi)部所有時(shí)序單元提供時(shí)鐘信號，因此時(shí)鐘頻率的快慢決定了時(shí)序單元和與之相連的邏輯單元的動(dòng)態(tài)功耗，關(guān)斷時(shí)鐘將消除電路的動(dòng)態(tài)功耗。（2）時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)將導(dǎo)致巨大動(dòng)態(tài)功耗的產(chǎn)生：1）時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是芯片內(nèi)規(guī)模最大的互連線網(wǎng)絡(luò)，其負(fù)載巨大，負(fù)載來自因?yàn)榛ミB線電容和平衡時(shí)鐘樹的偏差而插入的大量延時(shí)單元；2）時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是芯片內(nèi)翻轉(zhuǎn)率最高的互連線網(wǎng)絡(luò)，翻轉(zhuǎn)率的高低直接決定了互連線動(dòng)態(tài)功耗和互連線驅(qū)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)單元的動(dòng)態(tài)功耗。

　　針對由時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)引起的2 種系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗，本文研究并實(shí)現(xiàn)3 種時(shí)鐘低功耗技術(shù)。

　　2 動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理

　　一顆SoC 芯片的工作狀態(tài)變化很大，一些應(yīng)用需要用到芯片內(nèi)部的所有模塊，而另一些應(yīng)用只要用到部分模塊；在某些應(yīng)用中，芯片需要全速運(yùn)行，而在其他應(yīng)用中，則可以運(yùn)行在很低的工作頻率［1］。綜合以上2 點(diǎn)，動(dòng)態(tài)管理芯片的時(shí)鐘可以分為2 個(gè)方面：動(dòng)態(tài)地開關(guān)芯片內(nèi)部模塊的時(shí)鐘，動(dòng)態(tài)地配置芯片內(nèi)部模塊的時(shí)鐘頻率。

　　本文以音視頻解碼SoC 芯片——rsthu1 為例，介紹在系統(tǒng)級設(shè)計(jì)時(shí)采用的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理技術(shù)。

　　為了實(shí)現(xiàn)rsthu1 的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理，在芯片系統(tǒng)級設(shè)計(jì)時(shí)定義了4 種工作模式，見表1，其中，實(shí)心圓表示開啟此模塊；空心圓表示關(guān)閉此模塊。

　　當(dāng)芯片工作在正常模式時(shí)，采用高速時(shí)鐘HCLK 供給Risc0， Risc1， Decoder， BE（Bit Engine）這4 個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的主要模塊，此時(shí)系統(tǒng)全速運(yùn)行，進(jìn)行音視頻解碼。當(dāng)芯片工作在低速模式時(shí)，采用低速時(shí)鐘VCLK 供給上述4 個(gè)模塊，此時(shí)系統(tǒng)可以運(yùn)行簡單的應(yīng)用程序，保證了系統(tǒng)的持續(xù)工作，且降低了時(shí)鐘頻率，即降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功耗。當(dāng)芯片工作在閑置模式時(shí)，只保留操作系統(tǒng)的運(yùn)行，采用低速時(shí)鐘VCLK 供給Risc0，關(guān)斷其余模塊的時(shí)鐘供給，消除了除Risc0 以外其余模塊產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗。當(dāng)芯片工作在睡眠模式時(shí)，關(guān)斷所有模塊的時(shí)鐘供給，消除系統(tǒng)不工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗。

　　采用Synopsys 公司的功耗分析工具Prime Power，在RTL級基于4 種工作模式的仿真波形進(jìn)行功耗分析，結(jié)果見表2。

　　可以看出，在系統(tǒng)級設(shè)計(jì)時(shí)采用動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理技術(shù)后，正常、低速、閑置、睡眠4 個(gè)工作模式下，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗逐級遞減，功耗優(yōu)化效果明顯。

　　3 門控時(shí)鐘

　　RTL 代碼中經(jīng)常會出現(xiàn)以下語句：

　　@posedge （CLK）

　　begin

　　if （EN == 1）

　　Data_out = Data_in;

　　end

　　如果直接對上述代碼進(jìn)行邏輯綜合將生成如圖1 所示的電路結(jié)構(gòu)。控制寄存器狀態(tài)更新的控制信號被置于寄存器的輸入端之前，通過控制是否接收新數(shù)據(jù)來控制寄存器狀態(tài)是否更新。在該結(jié)構(gòu)的電路中，寄存器狀態(tài)不更新時(shí)的寄存器時(shí)鐘端仍然在不停翻轉(zhuǎn)，會浪費(fèi)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗。

　　采用圖2 的結(jié)構(gòu)，將控制信號置于寄存器的時(shí)鐘端之前，通過控制寄存器是否翻轉(zhuǎn)來控制寄存器狀態(tài)是否更新。與圖1 的電路結(jié)構(gòu)相比，圖2 的電路結(jié)構(gòu)在寄存器狀態(tài)不進(jìn)行更新時(shí)，時(shí)鐘信號將不翻轉(zhuǎn)，消除了由此帶來的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗的浪費(fèi)。由于多個(gè)MUX 被替換為一個(gè)門控時(shí)鐘單元，因此進(jìn)一步降低了功耗。

　　門控時(shí)鐘單元可以通過Synopsys 公司的功耗優(yōu)化工具Power Compiler 在邏輯綜合時(shí)插入，其優(yōu)點(diǎn)在于［3］：（1）不需要對RTL 級代碼進(jìn)行修改，Power Compiler 將自動(dòng)檢測出RTL 代碼中可以插入門控時(shí)鐘的語句；（2）門控時(shí)鐘單元將在邏輯綜合時(shí)自動(dòng)插入門級網(wǎng)單中。

　　采用Power Compiler 對rsthu1 進(jìn)行門控時(shí)鐘綜合，并采用Prime Power 進(jìn)行功耗分析，結(jié)果如表3 所示。可以看出，在邏輯綜合時(shí)采用門控時(shí)鐘技術(shù)，總功耗下降了34.52%，功耗優(yōu)化效果明顯。

　　4 低功耗時(shí)鐘樹綜合

　　觀察時(shí)鐘樹的生長過程，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)鐘樹的生長分為橫向擴(kuò)張和縱向延伸，如圖3 所示，其中，Arrow1 和Arrow3為縱向延伸；Arrow2 為橫向擴(kuò)張。

　　普通的時(shí)鐘樹綜合以降低時(shí)鐘偏差為目標(biāo)，加大縱向延伸，減小橫向擴(kuò)張，將投入較多buffer，更細(xì)粒度地調(diào)整每條時(shí)鐘路徑的延時(shí)，從而得到較小時(shí)鐘偏差。上述方式以增大時(shí)鐘樹規(guī)模為代價(jià)，它綜合得到的時(shí)鐘樹如圖4（a）所示。

　　出于功耗的考慮，希望能減小時(shí)鐘樹的規(guī)模。通過減小時(shí)鐘樹縱向延伸，加大橫向擴(kuò)張可以有效減小時(shí)鐘樹的規(guī)模，如圖4（b）所示。但由于buffer 數(shù)量的減少，較之縱深結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘樹，扁平結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘樹將粗粒度地調(diào)整每條時(shí)鐘路徑的延時(shí)，得到的時(shí)鐘偏差較大?？梢?，以降低時(shí)鐘樹規(guī)模為目標(biāo)，進(jìn)行低功耗時(shí)鐘樹綜合是以增加一定的時(shí)鐘偏差為代價(jià)的。

　　后端工具在進(jìn)行時(shí)鐘樹綜合時(shí)，能通過綜合參數(shù)對時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，見表4。

　　對rsthu1 的快速時(shí)鐘HCLK 進(jìn)行時(shí)鐘樹綜合時(shí)，采用以降低時(shí)鐘樹規(guī)模為目標(biāo)的低功耗時(shí)鐘樹綜合，結(jié)果如表5 所示。分別加大最大扇出，減小路徑總延時(shí)和每一級緩沖器數(shù)量上限。加大最大扇出后，時(shí)鐘樹規(guī)模減小了20.21%，而時(shí)鐘偏差只增加了0.023 ns，因此，由減小時(shí)鐘樹規(guī)模而帶來的偏差結(jié)果的變差是可以接受的。

　　5 結(jié)束語

　　目前已有很多時(shí)鐘低功耗技術(shù)，在SoC 芯片的設(shè)計(jì)中可以進(jìn)一步降低由時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)引起的功耗。在以后的研究工作中，需要進(jìn)行更廣泛而深入的探索。