降低視頻密集型便攜式產(chǎn)品的能耗

隨著3G無線網(wǎng)的發(fā)展，加上集成電路（IC）技術(shù)的不斷進(jìn)步，便攜式消費(fèi)電子設(shè)備擁有了令人目眩的播放各種視頻內(nèi)容的能力。不斷增加的移動(dòng)產(chǎn)品讓用戶進(jìn)入了多彩的視覺體驗(yàn)之中，如實(shí)時(shí)視頻、交互式游戲、交互式地圖、網(wǎng)頁瀏覽還有高分辨率照片。并且，不論是基本的手機(jī)，還是全功能的PDA，這些功能都在產(chǎn)品的吸引力方面起著至關(guān)重要的作用，從而對(duì)其市場成功也影響巨大。

但是，實(shí)現(xiàn)這此功能的圖像處理器能耗都很大，因而給便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提出了挑戰(zhàn)。圖像處理總是需要密集的計(jì)算，同時(shí)所需時(shí)間周期也會(huì)延長。舉例來說，能處理視頻的移動(dòng)設(shè)備必須能夠?qū)斎氲拿恳粠M(jìn)行解壓、解碼、調(diào)整尺寸并對(duì)之施加圖形過濾器。然后它還要按每秒30次的頻率重復(fù)這些計(jì)算，才能保證輸出到移動(dòng)設(shè)備顯示屏的視頻流。這是實(shí)實(shí)在在的工作負(fù)載，對(duì)電能的胃口也非常大。

消費(fèi)者對(duì)富視頻產(chǎn)品的渴求看上去無窮無盡，而盡量降低能耗、延長電池使用時(shí)間對(duì)便攜式移動(dòng)產(chǎn)品來說將一直是個(gè)穩(wěn)定的需求。解決這種互相沖突的目標(biāo)需要一個(gè)全面綜合的方法來節(jié)省電能。便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)師備必須在整個(gè)設(shè)計(jì)流程上部署節(jié)能技術(shù)，以便在待機(jī)能耗和運(yùn)行能耗兩方面都達(dá)到要求。

耗電的器件

要想對(duì)移動(dòng)設(shè)備的能耗進(jìn)行優(yōu)化，首先必須理解靜態(tài)和動(dòng)態(tài)耗能器件。靜態(tài)能耗是待機(jī)能耗的主要組成部分，主要來自于晶體管的泄露電流。縮小器件尺寸的一個(gè)副產(chǎn)品就是增加了晶體管的泄露電流。

對(duì)設(shè)計(jì)師來說有一點(diǎn)是幸運(yùn)的，即泄露可以在綜合階段使用多電壓臨限單元進(jìn)行自動(dòng)的標(biāo)定。在綜合過程中，可以根據(jù)電能和性能的折衷選擇單元。高臨限電壓的單元可以減少泄露電流，但相對(duì)于低臨限電壓的單元，它的開關(guān)要慢許多。在時(shí)序要求不嚴(yán)格、開關(guān)可以慢一點(diǎn)的電路中，可以使用高臨限電壓單元來降低靜態(tài)能耗。技術(shù)的進(jìn)步帶來了一系列不同臨限電壓的單元，靜態(tài)能耗也就通過低能耗的實(shí)現(xiàn)工具得到了自動(dòng)的優(yōu)化，因此大體上這個(gè)問題對(duì)設(shè)計(jì)者來說已經(jīng)是透明的了。

活動(dòng)能耗，也就是動(dòng)態(tài)能耗，是器件運(yùn)行的結(jié)果，通過消除不必要的開關(guān)活動(dòng)就能降低一些。寄存器傳輸級(jí)（RTL）時(shí)鐘門控是降低動(dòng)態(tài)能耗最常用的技術(shù)。時(shí)鐘門控通過有選擇地關(guān)閉時(shí)鐘來消除不必要的開關(guān)活動(dòng)，從而極大地降低計(jì)算密集型應(yīng)用如圖像處理中的動(dòng)態(tài)能耗。

時(shí)鐘門控技術(shù)

現(xiàn)在有兩種類型的時(shí)鐘門控技術(shù)，分別是合并型（Combinational）和順序型（Sequential）（見圖1）。合并型時(shí)鐘門控是直接在RTL代碼中取代條件聲明，把時(shí)鐘門控單元插入到寄存器的時(shí)鐘通路中。低能耗的RTL綜合工具會(huì)在模式匹配的基礎(chǔ)上自動(dòng)識(shí)別并插入合并型的時(shí)鐘門控。至于低能耗綜合工具在多大程度上可以使用時(shí)鐘門控這個(gè)問題，它要受到RTL如何編碼的制約。低能耗的綜合工具是通過在RTL代碼中，通過在定義聲明之前找到明顯的“如果（IF）”條件來找到可以插入時(shí)鐘門控的機(jī)會(huì)的。但是，這些工具并不能分析并決定何時(shí)在何處給RTL代碼插入這種“如果（IF）條件”以便降低能耗。還是要依賴RTL設(shè)計(jì)者在代碼中明顯地寫上這種“如果（IF）條件”，低能耗綜合工具才能把它們翻譯成節(jié)能的時(shí)鐘門控。

順序型時(shí)鐘門控是一種更強(qiáng)大的優(yōu)化技術(shù)，它在計(jì)算密集型應(yīng)用中降低能耗的能力已經(jīng)得到驗(yàn)證。與合并型時(shí)鐘門控不同，順序型時(shí)鐘門控并不是簡單的翻譯。它包含了對(duì)設(shè)計(jì)行為的序列分析。序列分析會(huì)對(duì)整個(gè)電路功能進(jìn)行設(shè)計(jì)狀態(tài)和周期的巡視，識(shí)別出不必要的開關(guān)動(dòng)作，諸如并發(fā)中無用的數(shù)據(jù)計(jì)算等。之后它能找出相關(guān)的邏輯條件來消除這種開關(guān)動(dòng)作。

舉例來說，當(dāng)一個(gè)寄存器的輸出被留在當(dāng)前電路周期中的時(shí)候，序列分析就能用邏輯條件來關(guān)閉合并邏輯中和在前一個(gè)周期中生成這個(gè)數(shù)據(jù)的寄存器中的開關(guān)。這種序列關(guān)系可能向前或向后在多個(gè)周期中傳播。RTL設(shè)計(jì)總是包含有多重序列關(guān)系，它可以用來減少開關(guān)動(dòng)作，并且因此可以優(yōu)化寄存器、內(nèi)存、時(shí)鐘以及合并邏輯的電能消耗。

序列時(shí)鐘門控能帶來的節(jié)能效果是非常顯著的，特別是在諸如視頻處理這類應(yīng)用中，這種應(yīng)用一般都會(huì)支持多種視頻格式和依賴于數(shù)據(jù)的算法。根據(jù)輸入視頻流的不同，通常只需要對(duì)其中的一部分進(jìn)行解碼計(jì)算和過濾器操作。因此，如果設(shè)計(jì)師能充分理解設(shè)計(jì)中的序列關(guān)系，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這里有許多可以使用時(shí)鐘門控的機(jī)會(huì)。

部署時(shí)鐘門控

在實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘門控方法學(xué)時(shí)有三個(gè)關(guān)鍵因素：完全地識(shí)別出所有可用的時(shí)鐘門控機(jī)會(huì)；精確地生成可以利用這些機(jī)會(huì)的RTL代碼；有效地對(duì)這些加入了時(shí)鐘門控的RTL代碼進(jìn)行驗(yàn)證以確保它仍然保留著原有功能。

只到最近，加入時(shí)鐘門控的一般方法還是要設(shè)計(jì)者自己去查看代碼，尋找時(shí)鐘門控的機(jī)會(huì)并手工在RTL代碼中加入所需的IF條件。典型的時(shí)鐘門控設(shè)計(jì)工作流包括手工加入時(shí)鐘門控優(yōu)化代碼，使用RTL能耗估計(jì)方法來評(píng)測這些優(yōu)化方法的效果，最后運(yùn)行模擬回歸來驗(yàn)證所需要的功能都還在。最后是對(duì)RTL代碼進(jìn)行綜合，同時(shí)可以對(duì)門級(jí)的電能消耗進(jìn)行估算以便決定是否還需要更多的時(shí)鐘門控（見圖2）。

在這個(gè)方法中還有許多低效率的地方。由于電路中時(shí)鐘門控的機(jī)會(huì)點(diǎn)非常多，而且使用條件又非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)師總會(huì)在審查并修改RTL代碼方面花費(fèi)大量的時(shí)間。同時(shí)，由于并非所有的時(shí)鐘門控優(yōu)化方法都能帶來節(jié)電效果，其中甚至有一些會(huì)對(duì)時(shí)序和面積有不良影響，所以還需要用試算的方法來得到最低能耗的設(shè)計(jì)。這種手工工作是勞動(dòng)密集型的，它會(huì)延長開發(fā)周期并給RTL模擬帶來額外的要求。又因?yàn)闀r(shí)鐘門控優(yōu)化方法不能用傳統(tǒng)的合并等效檢測工具進(jìn)行驗(yàn)證，所以還必須開發(fā)新的模擬測試基準(zhǔn)和評(píng)測工具，來驗(yàn)證新的時(shí)鐘門控方法沒有影響原有的功能。解決這一困境的自然方案就是設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

在RTL設(shè)計(jì)流中增加能耗優(yōu)化工具

在采用新的能耗優(yōu)化工具時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要隨時(shí)記著幾個(gè)關(guān)鍵考慮。第一，新工具帶來的電能節(jié)省可以補(bǔ)充并累積到現(xiàn)有能耗優(yōu)化工具上，這一點(diǎn)非常重要。第二，為了避免學(xué)習(xí)曲線過長并增加腳本開發(fā)工作，新工具應(yīng)該能使用標(biāo)準(zhǔn)的文件格式，并且能夠加入現(xiàn)有的設(shè)計(jì)流程之中。第三，非常重要的一點(diǎn)是新工具應(yīng)該提供一個(gè)全面的解決方案，不能在設(shè)計(jì)流中的其他地方帶來新問題。比如，自動(dòng)識(shí)別時(shí)鐘門控機(jī)會(huì)是很有用的，但如果這個(gè)工具不能生成優(yōu)化過的RTL代碼、并全面驗(yàn)證所有原有功能都沒有失效，那它就會(huì)對(duì)生產(chǎn)率帶來負(fù)面沖擊。

最近，可以自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別、在RTL設(shè)計(jì)中插入并驗(yàn)證序列時(shí)鐘門控的商業(yè)解決方案已經(jīng)上市了（圖3）。使用這種自動(dòng)序列時(shí)鐘門控和驗(yàn)證工具為視頻密集型便攜式應(yīng)用帶來了巨大的節(jié)能效果。

這些功能包含在Calypto系統(tǒng)公司的PowerPro CG（時(shí)鐘門控）及SLEC CG中。PowerPro CG是一款自動(dòng)化的RTL電能優(yōu)化解決方案，經(jīng)驗(yàn)證它可以帶來最高達(dá)60%的電能節(jié)省，同時(shí)對(duì)面積和性能影響很小甚至沒有影響。SLEC CG是一個(gè)序列等效檢測工具，它可以驗(yàn)證序列時(shí)鐘門控的優(yōu)化。這些工具補(bǔ)充了現(xiàn)有的低能耗設(shè)計(jì)工具流，它們可以分析RTL設(shè)計(jì)中的序列行為，識(shí)別出時(shí)鐘門控機(jī)會(huì)，比已有的工具更強(qiáng)大。它們可以讀取標(biāo)準(zhǔn)的、可綜合的Verilog及VHDL RTL代碼，從而可以嵌入到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)流中去。

另外，生成的能耗優(yōu)化的RTL代碼同原來的帶有額外時(shí)鐘門控邏輯的RTL設(shè)計(jì)是一樣的。能耗優(yōu)化的RTL代碼還要使用序列邏輯等效檢測工具進(jìn)行全面的驗(yàn)證，以確保沒有帶來功能上的改變。能耗優(yōu)化的RTL設(shè)計(jì)可以直接進(jìn)入低能耗綜合，以便擁有下游電能優(yōu)化能力的更多優(yōu)勢。通過把設(shè)計(jì)師從繁雜的設(shè)計(jì)分析、手工修改RTL代碼以及費(fèi)時(shí)的模擬工作中解放出來，生產(chǎn)效率和節(jié)能