芯片設計中的功耗估計與優化技術

　　1 引言：功耗在芯片設計中的地位

　　長期以來，設計者面臨的最大挑戰是時序收斂，而功耗處于一個次要的地位。近年來，下面的因素使功耗日益得到設計者的關注：

　　1）移動應用的興起，使功耗的重要性逐漸顯現。大的功耗意味著更短的電池壽命。

　　2）芯片集成度的提高，使供電系統設計成為挑戰。

　　隨著工藝的進步，芯片內的電路密度成倍提高，并且運行在以前數倍的頻率之上，而片上連線則越來越細，片上供電網絡必須將更多的電力以更少的連線資源送至每個單元，如果不能做到這一點，芯片的穩定性和預定工作頻率都將成為問題。IR壓降和供電網絡消耗的大量布線資源成為困擾后端設計者的重要問題，現在這種壓力正在一步步傳導到前端設計者的身上，要求在設計階段減少需要的電力。

　　3）功耗對成本的影響日益顯著

　　功耗決定了芯片的發熱量，封裝結構需要及時把芯片產生的熱量傳遞走，否則溫度上升，造成電路不能穩定工作。因此，發熱量大的芯片需要選擇散熱良好的封裝形式，或者額外的冷卻系統，如風扇等，這意味著成本的增加。

　　基于以上原因，功耗成為產品的重要指標與約束。下面的因素在設計之初，就應當列入設計者的考慮范圍：

　　1）功耗目標的確定

　　a） 產品的應用領域中功耗指標的商業價值；

　　b） 封裝，制程的成本影響；

　　c） 實現的可行度，復雜度，由此帶來的設計風險和時程影響的評估；

　　d） 參考值的選?。焊鶕惍a品，經驗值，工具分析確定，并隨著設計的深入不斷修正。

　　2）優化方案（策略）的設定

　　在進一步分析之前，我們先看一下功耗的組成。

　　2 功耗的組成

　　2.1 core power

　　功耗的組成包含RAM、ROM、時鐘樹（clock tree）和核心邏輯電路（Core logic）等四部分，下面依次來分析。

　　1）RAM

　　RAM功耗的計算是項復雜的任務，幸運的是，memory compiler可以為我們進行此項工作。關鍵點在存取每個端口的速率，這可以通過考慮存取pattern類型得到，或者通過仿真得到。建議在設計初期即生成不同參數（寬度，深度，速度，port數）的RAM/ROM的功耗數據，以利于設計探索。

　　2）時鐘樹

　　時鐘樹的功耗占到整個芯片功耗的40%~60%，因為它的高活動率（100%）和正負邊沿均消耗電力。

　　其中，電容包含寄存器的電容，驅動單元的電容和連線電容三部分。

　　3）核心邏輯電路

　　定義核心邏輯電路功耗為除時鐘樹外的組合與時序單元消耗的電力。由兩部分組成：

　　leakage current

　　capacitive loads

　　4）宏單元（macro cell）

　　多數芯片包含PLL等模擬macro，可以從庫提供商的數據手冊找到其功耗參數。設計者可以通過切分系統模式關閉不需工作的模塊，以減小功耗。

　　2.2 IO power

　　IO功耗包含IO單元、外部負載、外部終端等。因為需要驅動板級的連線，IO的電容會是內部單元的數百倍量級，因此消耗較多的電力。有時候，IO的功耗可以占到整體功耗的很大比例，系統架構可能因之改變，如：重新定義系統的劃分，以減少芯片-芯片的連接；選擇不同的IO接口協議，以減少能量消耗。IO功耗通常由系統架構，接口帶寬與協議要求決定。一旦庫選定，設計者可以優化的空間很小，但是核心的功耗是設計者可以減小的，在后面的篇幅中，我們將以核心功耗的估算與優化作為主題。