數(shù)字集成電路動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化策略分析與評(píng)估
芯華章持續(xù)助力第四屆集成電路EDA設(shè)計(jì)精英挑戰(zhàn)賽，并邀請(qǐng)華南理工大學(xué)王小航教授帶來(lái)詳細(xì)的賽題解析，希望能夠幫助同學(xué)們更加從容應(yīng)對(duì)賽事，賽出水平！
?其中，VDD為電壓，C為等效電容，Tr為翻轉(zhuǎn)率，即單位時(shí)間內(nèi)邏輯門從0→1或從1→0的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。我們可以把電壓和等效電容近似視為常數(shù)，對(duì)于不同的電路負(fù)載，統(tǒng)計(jì)其Tr，就可以計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗。
這道賽題的目的，就是讓大家通過(guò)VCD文件來(lái)統(tǒng)計(jì)一個(gè)電路負(fù)載的翻轉(zhuǎn)率。
如何得到翻轉(zhuǎn)率呢？我們回顧一下，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，先設(shè)計(jì)其RTL（如verilog）代碼，并編寫testbench給出激勵(lì)進(jìn)行測(cè)試，如下所示：
?用常見的仿真工具跑如上RTL代碼和testbench，可得到如下的輸出結(jié)果波形：
信號(hào)變化波形圖（芯華章科技股份有限公司-Fusion Debug 提供）
仿真工具可以把上述波形輸出VCD文件，類似：
?好，現(xiàn)在重點(diǎn)來(lái)了。給定VCD文件（其實(shí)就是波形的文本表示），我們就可以統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)率，進(jìn)而利用上述的功耗公式來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗，它們之間的邏輯關(guān)系如下圖：
?在本賽題中，我們只關(guān)注如何從VCD文件（對(duì)應(yīng)波形）到翻轉(zhuǎn)率的解析。
?
?這樣，掃描完一個(gè)文件之后，各個(gè)變量隨時(shí)間變化的序列就存下來(lái)了。
?可以采用pthread或者openMP進(jìn)行并行編程，需要注意線程間的同步和鎖機(jī)制。
1
賽題背景分析
低功耗設(shè)計(jì)是數(shù)字系統(tǒng)非常重要的考慮因素。為了支持低功耗設(shè)計(jì)，首先要對(duì)功耗進(jìn)行計(jì)算。功耗可分為靜態(tài)功耗（漏電流引起）和動(dòng)態(tài)功耗（門翻轉(zhuǎn)引起）。在本賽題中，我們主要考慮動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算方法。 動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式如下：
?其中，VDD為電壓，C為等效電容，Tr為翻轉(zhuǎn)率，即單位時(shí)間內(nèi)邏輯門從0→1或從1→0的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。我們可以把電壓和等效電容近似視為常數(shù)，對(duì)于不同的電路負(fù)載，統(tǒng)計(jì)其Tr，就可以計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗。
這道賽題的目的，就是讓大家通過(guò)VCD文件來(lái)統(tǒng)計(jì)一個(gè)電路負(fù)載的翻轉(zhuǎn)率。
如何得到翻轉(zhuǎn)率呢？我們回顧一下，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，先設(shè)計(jì)其RTL（如verilog）代碼，并編寫testbench給出激勵(lì)進(jìn)行測(cè)試，如下所示：
?用常見的仿真工具跑如上RTL代碼和testbench，可得到如下的輸出結(jié)果波形：
信號(hào)變化波形圖（芯華章科技股份有限公司-Fusion Debug 提供）
仿真工具可以把上述波形輸出VCD文件，類似：
?好，現(xiàn)在重點(diǎn)來(lái)了。給定VCD文件（其實(shí)就是波形的文本表示），我們就可以統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)率，進(jìn)而利用上述的功耗公式來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗，它們之間的邏輯關(guān)系如下圖：
?在本賽題中，我們只關(guān)注如何從VCD文件（對(duì)應(yīng)波形）到翻轉(zhuǎn)率的解析。
2
賽題要點(diǎn)解析
本賽題主要就是進(jìn)行VCD文件的解析，然后根據(jù)題目的要求，得到不同的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如翻轉(zhuǎn)次數(shù)tc，信號(hào)邏輯值為1的時(shí)間t1, 信號(hào)邏輯值為0的時(shí)間t0，信號(hào)邏輯值為x的時(shí)間tx，以及信號(hào)邏輯值為1的概率又稱靜態(tài)概率sp）、某個(gè)時(shí)間窗口的統(tǒng)計(jì)結(jié)果、不同層次信號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 因此，首先需要定義一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示信號(hào)時(shí)間序列，可以用數(shù)組或者vector等，將VCD文件讀取、解析為這些信號(hào)時(shí)間序列變量，再針對(duì)這些變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到所需的輸出。如下圖所示：
?2.1 VCD文件解析
VCD文件解析的思路如下：-
首先掃描文件頭，建立每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)組或者vector。
-
將VCD文件看作是不同時(shí)間段的信號(hào)改變，對(duì)于一個(gè)時(shí)間段，掃描各個(gè)變量的值的變化，記錄其變化，就構(gòu)成了時(shí)間序列。
?這樣，掃描完一個(gè)文件之后，各個(gè)變量隨時(shí)間變化的序列就存下來(lái)了。
2.2統(tǒng)計(jì)輸出
有了信號(hào)的時(shí)間序列值，可以根據(jù)題目要求打印統(tǒng)計(jì)結(jié)果。主要考慮幾方面：-
翻轉(zhuǎn)率等參數(shù)的計(jì)算，需要統(tǒng)計(jì)1和0的時(shí)間。
-
一個(gè)時(shí)間窗口的統(tǒng)計(jì)值，需要截取一個(gè)時(shí)間窗口進(jìn)行計(jì)算。
-
層次化的信號(hào)，需要從文件中讀取信號(hào)間的層次關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。
2.3多核加速
在題目要求中提到了多核加速，假如你的電腦有多個(gè)核，就可以用多線程方式加速。多核加速的本質(zhì)是將任務(wù)劃分到多個(gè)線程，讓多個(gè)線程在多個(gè)核上同時(shí)運(yùn)行從而提高計(jì)算速度。 加速方法有兩種，一種是將文件讀入到內(nèi)存，然后將不同的行分配到不同的核/線程來(lái)處理，我們稱之為橫向劃分；另外一種是將文件切分開分到不同的核，每個(gè)核處理文件的不同段，我們稱之為縱向劃分。
?可以采用pthread或者openMP進(jìn)行并行編程，需要注意線程間的同步和鎖機(jī)制。
2.4文件處理
當(dāng)VCD文件很大時(shí)，為了減少一次性讀入占用太多內(nèi)存，可以每次讀入一部分文件存在內(nèi)存中，如用getline等函數(shù)每次讀一行等。3
建議解題步驟
1
對(duì)VCD的基本語(yǔ)法先熟悉一下，如信號(hào)名字的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每一行表示什么含義等。
2
實(shí)現(xiàn)VCD文件到信號(hào)時(shí)間序列變量的轉(zhuǎn)換。這是一個(gè)文本逐行解析的過(guò)程。
3
寫統(tǒng)計(jì)分析的模塊，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)不同的統(tǒng)計(jì)需求，相對(duì)獨(dú)立。
4
學(xué)習(xí)pthread或openMP多線程編程，學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建線程、線程間如何同步、加鎖等。
5
用pthread或openMP提高你的程序的效率，這里需要并行劃分程序。
6
嘗試一下不同的文件讀取速度和占用內(nèi)存情況，選擇一個(gè)占用內(nèi)存比較小的方式。
4
其它注意事項(xiàng)
大家在解題時(shí)還需要注意以下幾點(diǎn)： 1）不要輕易放棄，題目本身難度不大，已經(jīng)提煉成了算法題，前期的知識(shí)準(zhǔn)備要花點(diǎn)時(shí)間； 2）一定要積極參加培訓(xùn)，很多知識(shí)其實(shí)一點(diǎn)就透；在沒(méi)有相關(guān)背景積累的情況下學(xué)習(xí)會(huì)有一定的挑戰(zhàn)性，但也可以補(bǔ)充很多知識(shí)； 3）要遵循循序漸進(jìn)、從易到難的解題思路，切不可貪大求全讓自己陷入到重重迷霧之中； 最后，預(yù)祝各位同學(xué)發(fā)揮出自己的水平，取得良好的成績(jī)。 審核編輯 ：李倩
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原文標(biāo)題：芯華章賽題解析：數(shù)字集成電路動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化策略分析與評(píng)估
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