Power estimation and optimization based on ASIC design

尹遠，黃嵩人
（湘潭大學物理與光電工程學院，湖南 湘潭 411105）

       摘要：隨著芯片設計的復雜度和規模越來越大，現如今ASIC芯片的功耗要求也越來越高。低功耗設計作為一個重要目標，需要設計者格外重視^[1] 。在本文中，首先討論了功耗的組成及來源，闡述了在設計初期的功耗評估，以及功耗優化的思路^[1] 。接著描述了功耗優化的具體操作技巧，其中詳細描述了時鐘門控的原理、實現流程等，最后對功耗優化的效果進行分析和比較。
      關鍵詞：低功耗設計；功耗評估；功耗優化；時鐘門控

　　0 引言

       隨著便攜式導向的消費類電子產品的需求不斷增大，便攜式電子設備的低功耗需求、基于可靠性與性能影響的考慮、芯片設計及制造的成本影響等，都體現了低功耗設計的需求和必要性。因而對功耗要求也越來越高，低功耗設計已逐漸成為衡量電子產品是否成功的重要指標，使得芯片設計者也越來越重視對功耗的優化設計。近來工藝技術的快速提高，面積、速率、溫度等性能要求不斷提升，這些改變對芯片的功耗優化設計有著很重要的影響。尤其對于追求低功耗、微型化、高可靠性等目標的ASIC芯片來說，更是面臨著不小的挑戰。
　　本文將介紹芯片功耗的來源和構成，及其基本概念。然后介紹芯片的功耗的評估計算方法和途徑，提出在ASIC芯片設計中進行功耗優化的思路，同時結合EDA工具輔助實現，介紹對芯片設計初期階段的核心功耗進行優化的具體操作流程，最后進行功耗優化后的分析。
　　1 功耗的構成

　　功耗的構成按照類型分類，主要由動態功耗和靜態功耗兩部分構成，通常動態功耗占芯片整體功耗的絕大部分 [2] 。
　　（1）動態功耗，是電路在工作時所消耗的能量。
　　對于CMOS電路，動態功耗又分為開關功耗和短路功耗，即P_Dynamic =P_switch +P_internal^[3] 。開關功耗也稱為翻轉
功耗（Switching Power），由電路翻轉時對負載電容充放電引起，即

　　短路功耗也叫內部功耗（Internal Power），在輸入翻轉時PMOS和NMOS同時導通的瞬間電流形成，即P_internal =V_DD ·T_r·Q_x^[4]。

　?。?）靜態功耗，是在電路沒有翻轉只供電的情形下，晶體管中漏電流造成的功耗，所以也叫漏電功耗（Leakage Power），公式為P_leakage=V_DD·I_leakage。靜態功耗的來源有幾種方式，很大比例是由源極和漏極之間的亞閾值漏電流造成，另外還有柵極漏電流、柵極和襯底之間的隧道漏電流等引起的漏電功耗。
　　上述公式中，V_DD為電路供電電壓，C為門電路的等效電容負載，T_r為信號的翻轉率，為一次翻轉過程中電源到地的電荷量，I_leakage為泄漏電流。

　　2 功耗的評估
　　功耗評估是低功耗設計中的重要內容，在芯片設計的各個階段，都有相應的方法去評估功耗，提前幫助設計者更科學有效的做好功耗優化。
　　2.1 功耗評估方法
　　在設計前期階段，對功耗的估算主要可以通過手動計算和工具自動評估。
　　（1）手動計算：通過對功耗來源的分析，根據功耗總公式P=P_switch+P_internal+P_leakage，再結合工藝庫中有關功耗的信息，進行理論估計。根據上文中提到的公式，可以由重要的參數進行功耗的具體估算，再根據不同的條件在工藝庫中查找對應的信息。工藝庫中包含了標準單元的功耗信息，在使用軟件或手動對RTL級代碼和門級網表做功耗分析時，都需要用到。
　　（2）工具自動評估：在RTL級代碼完成后，可以通過Spyglass等軟件進行低功耗的代碼風格檢查，找出可進行優化的邏輯模塊。一般常用Synopsys公司的工具（從屬于Design Compiler），對RTL級和門級網表進行分析并優化。
　　由于電路級的功耗評估的延時過多，需要大量的時間和資源，所以在工業實踐中很少采用。實際的功耗分析常對設計初期的RTL級和門級網表進行，通過工具自動計算出功耗的數值，因是在理想情況且忽略了包括物理設計等因素，所以獲得的結果不夠精確，但對低功耗設計具有重要的指導作用。物理設計完成后可通過Prime Time PX工具精確計算功耗，不過屆時再降低功耗收益就小了。
　　2.2 功耗評估流程

　　在實際大規模的集成電路項目中，通過手工計算功耗是不現實的，一般需要借助EDA工具。以Power Compiler來說，功耗的分析主要兩種方法，分別是設置翻轉率（無向量分析法）和仿真分析法，都需要獲取每個節點的開關行為情況。
　　仿真分析法更方便精確，其關鍵是獲得文件，本質是一種記錄開關動態行為的內部交換格式的文件，后用軟件讀取進行功耗分析。SAIF文件可由VCS等仿真工具對RTL級電路仿真或者門級網表電路仿真后得到，之后便可進行功耗分析[5] 。
　　3 功耗的優化

　　3.1 功耗的優化思路

　　一般而言，可利用自頂向下的方法進行低功耗設計的思考，而且優化的抽象層級越高，越能獲得顯著的功耗降低效果。首先應從系統與架構級層面思考功耗優化，然后思考在RTL級與門級進行低功耗設計的方法。
　?。?）系統與架構級功耗優化：在設計初期的系統結構層級，可以通過優化算法使得如加法器、乘法器、存儲等資源和操作的使用最小化，實現對硬件資源的合理配置與使用。也可以增加休眠待機模式，減少芯片不必要的工作時間。
　?。?）合理選擇并行或者流水線技術，可以適當降低功耗。采用并行處理可以降低系統工作頻率，從而可降低功耗^[6]。流水線技術（Pipeline）是將組合邏輯系統地拆分，并在各級之間插入寄存器，這樣每一步小操作的時間減小，可提高工作頻率，又能并行執行提高處理速度，還能以較低的電壓來驅動系統。
　?。?）邏輯優化與資源共享：RTL級代碼設計時可進行邏輯優化，減少硬件資源消耗。使用良好的編碼風格，利用數據編碼來降低開關活動，例如用格雷碼比用二進制碼翻轉更少，功耗更低^[6]。簡化狀態機，降低每次工作的狀態機的寄存器數量，為功耗降低提供了可能性。進行邏輯共享，提高如FIFO、查找表、RAM存儲資源的利用率。
　　此外在RTL級與門級中，常采用的低功耗設計技術是時鐘門控^[7]。

　　3.2 時鐘門控

　　3.2.1 時鐘門控原理

　　動態功耗是芯片功耗主要部分，是由電路翻轉引起負載電容的充放電，所以降低電路中冗余的翻轉動作，關閉未工作時的電路的時鐘網絡使其處于靜態，是一種降低功耗的重要思路。時鐘門控技術通過控制時鐘的翻轉，降低電路的翻轉率，從而達到降低動態功耗的目的，使用門控時鐘技術能有效降低芯片的系統動態功耗，所以在低功耗設計中使用較多，廣泛應用于大規模集成電路設計中^[2]。

　　如圖2所示，通過門控單元控制時鐘信號的翻轉，從而實現對寄存器或模塊的工作時鐘的開關控制，決定數據是否向下一級邏輯傳播。避免了冗余信號的翻轉，從而降低了電路的動態功耗^[8]。
　　隨著設計規模的增大，通過手動方式添加時鐘門控邏輯效率很低，因而目前業界主流是通過EDA工具在綜合階段根據RTL級代碼的特點自動插入時鐘門控邏輯^[2]。
　　3.2.2 時鐘門控單元的選擇

　　時鐘門控的實現方式有多種，最常用的是free和Latch-based。Latch-free類型時鐘門控一般是由結構簡單的與門或者或門電路組成，但對時序要求較高。比如由與門組成的電路波形圖中時鐘信號CLK和使能信號EN相與，得到的門控時鐘GCLK出現了毛刺，影響了電路的穩定性^[2]。因此大部分設計使用Latch-based時鐘門控電路，其電路圖如下：

　　3.2.3實現流程

　　上圖描述了利用DC工具插入時鐘門控單元的流程，首先是選定時鐘門控類型，然后讀取RTL設計文件、定義時鐘策略，再插入指定類型的時鐘門控單元，最后邏輯綜合的過程^[2] 。其中選取時鐘門控類型是最關鍵的環節，具體命令如下：指定使用基于latch的門控電路類型，-minimum_bitwidth意味著一個門控時鐘至少需要3個寄存器，指定時鐘上升沿/下降沿觸發的寄存器所用的門控單元，-setup/hold指定的是setup/hold time的約束，-maxfanout指定的是最大扇出數^[5]。另外可以查看工具手冊，進行更多自定義選擇。
　　3.2.4 結果分析

　　基于某ASIC工程在臺積電90 nm工藝下進行實踐，獲得的結果如下：被時鐘門控的寄存器占比達90%，因而能控制寄存器翻轉，可有效降低動態功耗。統計功耗優化前后的具體數據，如表1所示。在90 nm工藝下，從DC綜合后獲得的信息來看，可以直觀看出功耗降低效果顯著，面積也節省了約37%，實踐證明時鐘門控技術是一種行之有效的降低功耗的方法。
　　4 結論

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第3期第1頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處在目前日趨復雜的芯片設計中 ， 更 加 追 求 性能、面積、功耗等設計目標，低功耗優化設計已是重要指標之一。本文從設計需求實際出發，首先分析了功耗的構成及來源，然后闡述了功耗評估的方法，最后基于ASIC設計重點講述了功耗優化的若干方法，并對時鐘門控技術做主要說明，并實踐證明獲得了顯著的功耗降低效果^[1]。
　　影響功耗的因素眾多，優化的方法也很多，需要結合項目實際，在不同的設計階段綜合運用不同的優化方法來降低功耗，全局綜合考慮，以達到功耗、性能、面積等多方面的優化提升^[9]。

　　參考文獻
　　[1] 于立波.芯片設計中的功耗估計與優化技術[J].中國集成電路,2010,19(06):37-43.
　　[2] 茅錦亮.動態時鐘門控管理策略的設計與實現[D].東南大學,2014.
　　[3] Synopsys. Low Power Methodology Manual[EB/OL].www.synopsys.com/lpmm.
　　[4] 楊玲.基于電路級的低功耗關鍵技術研究[D].上海交通大學,2010.
　　[5] Synopsys. Power Compiler User Guide[EB/OL].www.synopsys.com.
　　[6] 王彬, 任艷穎.數字IC系統設計[M].西安電子科技大學出版社,2005
　　[7]喻賢坤,姜爽,王磊,王莉,彭斌.數字集成電路門控時鐘可靠性研究[J].電子技術應用,2017,43(01):60-63+67.
　　[8] 嚴石.面向DSP的時鐘門控技術的優化與設計[D].東南大學,2016.
　　[9] 袁博.集成電路設計中乘法器的低功耗算法與實現技術研究[D].西安電子科技大學,2013.
　　作者簡介：
　　尹遠（1993-），男，湖南張家界人，碩士研究生，主要研究方向：數字集成電路設計。
　　黃嵩人（1972-），男，江蘇無錫人，碩士研究生導師，主要研究方向：SOC設計，射頻識別技術。

本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第4期第54頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處