低功耗一直是便攜式電子設(shè)備的關(guān)鍵要求，但近年來(lái)，在人工智能、5G、大數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)等應(yīng)用快速發(fā)展的推動(dòng)下，對(duì)低功耗的需求已經(jīng)擴(kuò)散到更多的終端產(chǎn)品中。而且隨著芯片中晶體管的集成度越來(lái)越高，散熱成為行業(yè)的一大挑戰(zhàn)，因此低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要。這也給廣大開(kāi)發(fā)者提出了不小的挑戰(zhàn)。

低功耗是芯片的重要考量指標(biāo)

隨著電子設(shè)備的大規(guī)模增加，電子產(chǎn)品所消耗的電力也在增長(zhǎng)。圖1顯示了全球信息和通信技術(shù)(ICT)所消耗的電力增長(zhǎng)情況，按照nature的統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2030年，僅ICT所消耗的電力占比將達(dá)到20%以上。因此，芯片設(shè)計(jì)者或者制造商都爭(zhēng)取在保證芯片性能的情況下，盡可能做到低碳、節(jié)能和環(huán)保。

圖1：信息通信技術(shù)應(yīng)用的電力需求增長(zhǎng)

低功耗正成為芯片很重要的一個(gè)衡量指標(biāo)。對(duì)于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備等小型電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，一方面由于其使用電池，控制功耗可以獲得更長(zhǎng)的使用時(shí)間，一方它們的SoC大多采用先進(jìn)工藝、設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，本身就面臨散熱難題，降低功耗也能進(jìn)一步緩解這方面的挑戰(zhàn)。

此外，像臺(tái)式機(jī)、服務(wù)器這樣的大型系統(tǒng)而言，雖然可以通過(guò)使用先進(jìn)封裝技術(shù)、大型散熱器、風(fēng)扇甚至是液冷技術(shù)等解決散熱問(wèn)題，但這些會(huì)帶來(lái)成本的大幅增加，同時(shí)出于對(duì)全球氣候變化的擔(dān)憂，也要求設(shè)計(jì)師們對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和電源能效進(jìn)行更合理的權(quán)衡。

低功耗貫穿芯片設(shè)計(jì)全流程

為了達(dá)到最佳效果，在SoC設(shè)計(jì)的每個(gè)階段都必須考慮能源效率問(wèn)題。如圖2所示，多年來(lái)，行業(yè)從業(yè)者開(kāi)發(fā)了各種各樣的技術(shù)來(lái)管理和降低功耗。

圖2：端到端節(jié)能設(shè)計(jì)流程

從最底部的物理層開(kāi)始看起，首先是材料，常用的硅擁有較高的導(dǎo)熱性，除此之外，砷化鎵(GaAs)也被廣泛應(yīng)用于某些高性能產(chǎn)品領(lǐng)域。

在基礎(chǔ)材料之上，晶體管和其他器件的結(jié)構(gòu)也對(duì)能源效率有很大的影響。在芯片開(kāi)發(fā)的早期階段，工程師們就通過(guò)選擇與設(shè)計(jì)目標(biāo)最匹配的晶體管來(lái)權(quán)衡功率性能區(qū)域(PPA)，鰭場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FinFET)器件就是一個(gè)很典型的例子。1990年代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨25納米的制程瓶頸，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)有不少聲音認(rèn)為摩爾定律即將終結(jié)， FinFET 晶體管技術(shù)的出現(xiàn)讓半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)突破瓶頸，逐步發(fā)展到現(xiàn)在的7納米、5納米制程技術(shù)。

但要知道的一點(diǎn)是，大部分SoC設(shè)計(jì)不是在晶體管級(jí)別上進(jìn)行的，而是在寄存器傳輸級(jí)別(RTL)上進(jìn)行的，或者是使用通用功能的單元庫(kù)合成的更高級(jí)別的代碼。這其中包含許多“低功耗”單元庫(kù)，設(shè)計(jì)師可以利用邏輯合成工具快速測(cè)試多種單元庫(kù)的組合，以滿足PPA目標(biāo)。功耗會(huì)影響芯片的電源完整性和熱特性，因此必須在物理設(shè)計(jì)階段就解決這些問(wèn)題，并在signoff期間進(jìn)行確認(rèn)。

在微架構(gòu)的定義過(guò)程中也必須考慮到功耗的問(wèn)題。常用做法是關(guān)閉當(dāng)前SoC中未被激活的部分，將其置于待機(jī)狀態(tài)，或使用動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放(DVFS)來(lái)實(shí)時(shí)控制操作。SoC架構(gòu)師必須定義電源控制結(jié)構(gòu)并提供hooks，以便它們可以由運(yùn)行在終端系統(tǒng)上的軟件進(jìn)行操作。

軟件是解決方案的最后一部分。雖然硬件層面可以完全實(shí)現(xiàn)電源管理要求，但對(duì)于大多數(shù)SoC來(lái)說(shuō)，大部分的工作都有電源感知固件、操作系統(tǒng)(OS)和應(yīng)用程序(apps)來(lái)控制。例如，操作系統(tǒng)知道所有正在運(yùn)行或計(jì)劃運(yùn)行的應(yīng)用程序和任務(wù)，因此可以在不需要最高性能的地方做出減少或停止芯片運(yùn)行的決定。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)用于測(cè)試裸片和芯片的應(yīng)用程序也需要注意功耗以免引起過(guò)熱。

圖2中是低功耗SoC設(shè)計(jì)的整個(gè)流程。

圖2：低功耗設(shè)計(jì)流程

看起來(lái)要打造一個(gè)低功耗設(shè)計(jì)所需要非常多工作，但是統(tǒng)一功率格式(UPF)標(biāo)準(zhǔn)的引入，讓整個(gè)設(shè)計(jì)流程變得更加容易。UPF規(guī)定了SoC電源控制網(wǎng)絡(luò)的許多方面，包括:

電源網(wǎng)絡(luò)和電源開(kāi)關(guān)

功率/電壓域

這些域之間的電平移位器和隔離單元

功率狀態(tài)和這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換

當(dāng)芯片中的電源部分關(guān)閉時(shí)，內(nèi)存保留

UPF標(biāo)準(zhǔn)用于描述低功耗要求，基于TCL語(yǔ)言編寫(xiě)。目前，最新版的UPF為UPF3.0 1801-2018。設(shè)計(jì)工具可以讀取該文件，并通過(guò)邏輯綜合、放置和路由來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在虛擬模型中，架構(gòu)工具可以使用UPF反映電源管理的需求，從而幫忙設(shè)計(jì)師在宏觀層面進(jìn)行權(quán)衡。許多驗(yàn)證工具也會(huì)將功耗納入考慮之中。

新思科技的端到端低功耗解決方案

在低功耗設(shè)計(jì)方面，新思科技提供以軟件驅(qū)動(dòng)的電源驗(yàn)證、探索、分析和優(yōu)化的低功耗解決方案，其產(chǎn)品覆蓋了低功耗設(shè)計(jì)的所有流程，包括Platform Architect、ZeBuEmpower、SpyGlass Power、PrimePower RTL、Fusion Compile、Fusion of PrimePower and RedHawk signoff engines、TestMAX、PrimePower和Ansys RedHawk等，這些產(chǎn)品構(gòu)成了非常完整、有效的解決方案。

圖3：新思科技的低功耗解決方案

新思科技的開(kāi)發(fā)流程基于實(shí)際的軟件工作負(fù)載來(lái)權(quán)衡電源性能，并且在設(shè)計(jì)早期就準(zhǔn)確地進(jìn)行功耗分析，還可以幫助設(shè)計(jì)師更快實(shí)現(xiàn)PPA目標(biāo)。圖4深入剖析了新思科技的設(shè)計(jì)流程細(xì)節(jié)，顯示了其中各個(gè)組件/產(chǎn)品如何應(yīng)用于不同的設(shè)計(jì)階段。

圖4：軟件驅(qū)動(dòng)功耗的探索、分析和優(yōu)化

在架構(gòu)階段，Platform Architect可以使用抽象模型來(lái)探索合適的系統(tǒng)性能和功耗。在RTL模塊開(kāi)發(fā)的早期階段，SpyGlass Power與VCS模擬器生成的矢量一起用于功耗分析。隨著RTL模塊接近完善，PrimePower RTL提供了基于嵌入式RTL Architect物理和時(shí)間感知預(yù)測(cè)技術(shù)以及signoff PrimePower engine的更準(zhǔn)確的分析。當(dāng)SoC或子系統(tǒng)進(jìn)入仿真階段，ZeBu Empower將用于分析軟件工作負(fù)載，以識(shí)別高活躍的窗口(例如峰值功率和高平均功率區(qū)域)，然后在PrimePower RTL中進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

隨著設(shè)計(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段，活動(dòng)窗口的進(jìn)一步細(xì)化將驅(qū)動(dòng)Fusion Compiler中的實(shí)現(xiàn)。在人工智能引擎DSO的輔助下，RTL到GDSII流程可以快速提供最佳的PPA結(jié)果。ZeBu Empower的活動(dòng)窗口也推動(dòng)了PrimePower signoff流程，它的Power Replay功能可以在門(mén)級(jí)網(wǎng)表上重新利用由VCS RTL仿真產(chǎn)生的向量。PrimePower Golden power signoff包括用于（ Glitch）故障分析和調(diào)試的關(guān)鍵技術(shù)，用于計(jì)時(shí)精度的延遲轉(zhuǎn)移，以及用于高級(jí)過(guò)程節(jié)點(diǎn)的建模。最后，TestMax可以在制造測(cè)試過(guò)程中用于功耗分析。

除了自定義RTL部分外，每個(gè)SoC都會(huì)使用商業(yè)IP。而在這方面，新思科技提供廣泛的低功耗IP產(chǎn)品組合，用于處理器、接口、傳感器、模擬/混合信號(hào)(AMS)、存儲(chǔ)器和邏輯庫(kù)。這些都帶有預(yù)定義的UPF描述，以補(bǔ)充設(shè)計(jì)人員提供的文件。圖5詳細(xì)展示了新思科技的低功耗驗(yàn)證工具。

圖5：新思科技低功耗驗(yàn)證

這些驗(yàn)證可以在從RTL到最終布局網(wǎng)表的任何設(shè)計(jì)階段開(kāi)始進(jìn)行，也可以在RTL-to-GDSII流程的各個(gè)階段直接從Fusion Compiler中調(diào)用這些檢查，以確保在芯片實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中達(dá)到低功耗要求。VC SpyGlassRTL靜態(tài)signoff平臺(tái)還可以讀取UPF，以便檢查時(shí)鐘域交叉(CDC)和重置域交叉(RDC)實(shí)例是有低功耗要求的。由Formality執(zhí)行的邏輯等價(jià)性檢查(LEC)和由VC Formal執(zhí)行的分析驗(yàn)證也是如此。ZeBu仿真系統(tǒng)和HAPS原型解決方案都考慮了UPF。所有這些工具和技術(shù)都將Verdi作為統(tǒng)一的調(diào)試平臺(tái)共享，并提供許多支持功率的調(diào)試特性。最終在功能驗(yàn)證的所有階段，對(duì)低功耗要求規(guī)范都有統(tǒng)一的要求。

結(jié)論

許多SoC應(yīng)用需要最小的功耗來(lái)延長(zhǎng)電池壽命、滿足市場(chǎng)需求。但是，PPA的總體目標(biāo)不能僅僅集中在功耗上，更應(yīng)該有一個(gè)端到端的設(shè)計(jì)流程來(lái)提高電源效率。新思科技的全流程低功耗解決方案將為整個(gè)芯片行業(yè)在進(jìn)行低功耗全過(guò)程設(shè)計(jì)中提供極大的幫助。

審核編輯：劉清