淺談芯片低功耗的設計實現

眾所周知，隨著芯片越來越大，功能越來越豐富，以及移動市場的切實需求，低功耗的芯片設計，越來越受到推崇。這里，結合多年的低功耗設計經驗，把一些理念和方法，分享給各位。

通過一些理論書籍，大家都知道功耗的來源主要分為兩種，一種是動態，一種是靜態。

先來看一下，動態功耗的計算公式為，

dynamic power = switching power + internal power

switching power 計算公式為：

由此可知，動態功耗和頻率、關斷時的負載電容以及電壓的平方成正比，換言之，可以通過，改變頻率、負載電容以及電壓來改變動態功耗。

internal power 計算公式為

這里的tsc指的是NMOS/PMOS internal短路的時間。Ipeak指的是整個短路電流和導通電流的總和。

在實際的std-cell library里，工具使用了一個簡化的查找表方式來處理internal-power，示例如下

P = func(input_transition, input_pin_condition, output_capacitance)

漏電功耗(leakage power)的計算模型

對應的漏電電流計算公式是：

這里的Vth， CoxW/L都是工藝相關，不可以調整，Vgs就是VDD，Vt指的是閾值電壓?？梢钥吹?，閾值電壓越高漏電功耗就越低，但是由于工藝復雜的增加，閾值電壓越高的器件，對應的翻轉速度就會變慢，導致影響性能

基于以上的理論，可以推導出下表：

下邊就一起來看一下，目前的設計領域里邊流行的那些降低功耗的技術手段吧。

clock gating

這個是一個在綜合器里非常常用，也很通用的手段?？偠灾?，clock gating不但可以優化動態功耗，同時還可以優化面積(具有漏電功耗提高的可能)，這里也有一些別的數據作為參考

… reports an area reduction of 20% and a power savings of 34% to 43% depending on the operating mode

綜合工具在自動插入clock gating的時候，把原有的data上的通用邏輯加以整合，掛到了clock 的EN控制端，這樣就可以大幅度的節省面積，尤其是在多位寬的總線。反言之，在非常窄的總線上，clock-gating在面積和功耗上不一定會有效果，譬如小于三位的總線。

工藝演進

隨著晶體管的尺寸越來越小，三極管導通所需要的電壓也就越來越小了，從上邊的表哥里邊可以看到，降低電壓，可以有效改變動態功耗的處境。

從40/28nm的0.99v到現在7nm的0.7v，通過改變工藝都可以有效降低動態功耗。相反，對于相同尺寸的die，工藝的提高預示著可以放置更多的管子。

芯片的功耗隨著工藝的提高，呈現出整體放大的趨勢，尤其是漏電功耗，如下圖

先進工藝的性能和速度大幅度提高，追擊先進工藝是大勢所趨，但是相應的，現代芯片的功耗挑戰，會比以往來得更猛烈。

power gating (可關斷電源)

電壓降低了，動態功耗確實可以變小，但是Vdd和Vth的差值會變得更小，Vth (閾值電壓：MOS導通時所需要的的電壓)更不可能一直毫無代價降低，所以，在實際的實現中，使用Switchable Power domain的方式，來整體關斷某個或者某個區域、層級的器件，從而來降低整體靜態功耗。這個實現電源控制的器件，就叫做power gating。

原理很簡單，就是在當前的std-cell的PG rail上面加一個開關，通過外界信號來控制，從而達到可以std-cell電源的目的

仔細想一下，這種結構可以所在std-cell的內部，也可以做在power rail上，前者通常被叫做fine gating，后者會被稱作coarse gating。第一種的設計效果更好，甚至可以具體到某一個std-cell的電源開關控制，但是std-cell面積會變大。第二種，顯而易見，如果使用在rail上，精細度會變差，但是，面積會很有優勢，具體的實現方法也會簡化。具體的比較如下表：

結合實際，在正常的使用中，并非所有的std-cell都需要單獨控制，大部分都是一個功能模塊的整體調配，所以現在很多設計里邊都會使用coarse gating而非fine gating的實現方法(如果真的使用fine gating，不知道后端實現工程師會不會咬人)

模塊關斷的方法可以大幅度降低leakage，但是也會帶來一些新的挑戰，主要是后端實現的時候：isolation，power switch 以及PG route都會有很大的變化。

除此之外，前端的low power仿真也需要格外注意，如果某些scenario沒有考慮好，核心模塊在不期望的時候被關斷，那么會引起系統性問題的。具體加下表：

動態電壓和頻率調節(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)和自適應電壓調節Adaptive Voltage Scaling (AVS)

在當下，為了節省功耗，各位工程師也是拼了。在后端實現的不斷調整和改變的同時，前端的TX們也沒有閑著。DVFS就是一個基于設計，功能原理的有效降低功耗的一個典型方案。

在芯片的實際使用中，真實的使用場景會比較復雜，就拿手機而言，譬如

用戶待機的時候，只需要網絡連接可能就足夠了

聽歌的時候可能是不需要屏幕的支持

用戶在拍照的時候網絡的功能需求也不是很強烈

當你玩游戲的時候，CPU可能就要調度所有的硬件來支持游戲的流程運行，

通過不同的場景，芯片基于用戶需求來適當的調度各個功能的使用和性能調節

這個示例是一個UART的構造框圖，基于這樣的一個邏輯架構，規劃出不同的使用場景，從而可以展現出不同場景下面所需要的電壓和頻率。

最后可以定義出一個類似上邊的一個表格，在系統判斷出不同的使用場景后，就會配置出不同的電壓和頻率值，從而達到不同場景下的功耗優化的可能，這也就是常說的DVFS，類似于一種對于預定義場景的一種查找表的操作。

AVS是在DVFS上邊更為先進的一種調整方式，框圖如下：

和DVFS的簡單查找表不同，這里會在系統里邊集成一個PM(Performance Monitor)，對于系統的運行進行實時監控，通過判斷，動態的調整電壓和頻率，這里可以引入一些自學習的功能，從而根據不同用戶的使用習慣，來提供更為細致的自定制服務?？梢栽O想，愈發細致的個性化服務，加之自學習的預判功能，都可以進一步的提高電源功耗的優化。

Vt cell的應用

從上一篇文章可以看到，不同Vt下的cell特性是不同的，現在的工藝都會提供不同傾向的Vt庫，見下表

可以看到，合理使用不同的Vt cell可以滿足不同PPA的需求，在使用過程中，應該優先使用SVT的cell，而后是LVT，最后萬不得已的時候再使用ULVT(ULVT的leakage可不是一般的大啊，一般會達到SVT的四到五倍的量級)

工具可以完美支持mix-Vt的設計。工具的策略是，在功耗優化的過程中，根據用戶設定的Vt等價置換規則，在不影響timing的情況下，選擇leakage小的cell，這樣在兼顧性能的時候可以滿足power的需求。

由于，后端實現的時候，通常由三個階段需要用到這個技術手段，這里給出一個通常的應用場景供大家參考

秘籍：一定要做最后一步，效果會非常顯著，可以有效地提高leakage power。

版圖優化

在版圖實現當中，后端實現的工具是非常靈活的，低功耗的設計當中，經常會使用到power-domain和voltage-area這些技術來優化power，簡單的講，通過UPF，在設計里邊定義一些switch-off power和always domain，在某些功能不使用的時候，就把SW domain關掉，這個時候，SW里的power-gating cell的輸出會呈現出一個無線接近電源(footer power-gating)或者地(header power-gating)的狀態，從而理論上確保了SW domain的leakage是零(但是，這是指理論的，由于power gating cell本身會有漏電的問題，所以零的漏電只是理論上的)。

這里可以引申出一系列的思路，版圖工程師可以盡可能的讓更多的cell放到SW domain，從而在實際使用的情境下，可以拿到更好的功耗?？匆幌逻@個例子：

一條路徑，從SW1出發到達SW2，中間一共有四級，其中SW里邊有一個buffer和一個isolation，AO里邊，有兩個buffer ，從power上講，在SW1和SW2同時關斷的時候，這兩個AO的buffer，不會有任何的動態功耗(dynamic power)，這是因為SW1的isolation的輸出已經被鉗位(clamp)到無效態(一個常值)，但是這兩個buffer的leakage power是不能省略的，所以下圖的floorplan，從power優化上來講一定是個更好的選擇

可以看到，中間的級數沒有發生改變，但是之前的buffer1和buffer2，都已經被放置到了SW domain了，這樣，在SW關斷的時候，這兩個buffer的leakage power就是零(理論上)。這里只是一個連接和兩個buffer的示例，實際中VA之間的連接非常復雜，通過版圖的優化調整，可以讓出更多的leakage power。

低功耗設計是一套完整的理論體系，從原理、代碼、UPF、綜合、版圖等等，每個步驟的一點點提高，都會帶來不同程度的優化，勿以優化小而不為，點點滴滴的進步就會造就更加節能的芯片實現。

審核編輯：湯梓紅