如何通過優化RTL減少功耗

隨著各種消費類設備智能化的巨大增長，這些應用正變得更加以數據為中心data-centric和計算密集型computation intensive。從IC設計的角度來看，這增強了早已經存在的power vs area trade-off的挑戰。

對于功耗估算來說，架構階段為時過早，物理設計階段為時已晚。有一種趨勢是在項目的RTL階段分析power hot spots。與后期分析相比，基于 RTL 的功耗分析更快、更容易執行，迭代時間更短。

本文介紹了在 RTL 級別應用的一些功耗優化技術。

消費類電器（電池驅動型）的大幅增加使功耗優化成為大多數片上系統 （SoC） 的基本需求。

在VLSI行業的早期階段，功耗分析被認為是一種后端活動。但隨著芯片復雜性的增加，必須將功耗分析轉移到前端階段，以確保正確的估計和優化，僅在后端階段進行優化就無法滿足要求。

此外，動態功耗計算很大程度上取決于驅動到 SoC 的輸入激勵;因此，使用功能驗證向量輸入進行分析似乎是必須的。因此，業界開始在 RTL 階段進行功耗分析。

在ASIC設計的不同階段，都有功耗優化的余地。

系統劃分為電壓域是在架構階段完成的，即使在單個電壓域下也能進行優化。當處理器處于休眠模式時，對電路進行Power gating（喚醒邏輯除外）可減少功耗浪費。這些是用于降低功耗的一些傳統方法。在多核處理器設計中，多個電壓域允許根據工作負載控制每個內核的電源電壓。在較高電壓下工作的核以較高的頻率工作，而施加較低電壓的核可以使用較低的頻率。

內存組織和模塊級時鐘門控則是架構級優化的另一個領域。

綜合階段的功耗降低歸因于晶體管尺寸調整和cell合并，以降低開關活動。另一種方法是將高開關活動的net分配給電容較低的引腳，將低開關活動的net分配給具有較高電容的邏輯引腳。綜合工具還通過將數據使能轉換為時鐘使能來實現時鐘門控。通過具有不同閾值電壓的cell映射設計中的非關鍵路徑和關鍵路徑來優化漏電功耗。

RTL level的功耗優化主要集中在降低register level的信號活動上。本文主要介紹 RTL 優化，它從更精細的級別實現功耗的優化控制。

II. 低功耗RTL

通常，實現 RTL 功耗優化包括對設計的以下方面進行優化。

寄存器級時鐘門控減少開關活動

基于有限狀態機（FSM）的上游和下游邏輯路徑門控

數據路徑未啟用時對數據路徑進行門控

減少組合電路中的冗余活動

本節介紹一些優化技術，方案和編碼示例。

A. 時鐘門控

在模塊級別插入Clock gate是一種普遍的降低功耗的方法。但是，只有在功耗需求非常嚴格的情況下，才采用寄存器級的Clock gate，這是由于寄存器級的Clock gate也會增加面積成本。

為了在寄存器級別啟用Clockgate，對于RTL的編寫方式是有一定的要求的。另一種選擇是手動配置綜合工具，為選定的寄存器插入Clockgate。在復雜的設計中，第二種選擇是不可行的。在這種情況下，應該利用RTL 的編寫方式自動綜合出Clockgate。

考慮場景，當 FIFO 滿并寫入時，生成 fifo wr 錯誤信號。示例代碼1不會綜合出Clock gate，而示例代碼2會綜合出Clock gate。

Listing 1. Code without CG Inference

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
fifo_wr_err <= fifo_full & fifo_wr_en ;

Listing 2. Code with CG Insertion

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
if (fifo_wr_en)
fifo_wr_err <= fifo_full;

1） 時鐘門控效率：在不研究時鐘門控效率的情況下插入Clockgate也可能會反方向增加功耗。需要根據以下因素估計時鐘門控效率

總線中被時鐘門控的比特數

門控占總時鐘周期的百分比

數據在使能的Clockgate內toggle

僅當寄存器上的輸入發生變化時才啟用該門控。

Listing 3. Improved Clock Gating Efficiency

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
if (value_en)
fifo_wr_err <= nxt_fifo_wr_err;
assign nxt_fifo_wr_err = fifo_full & fifo_wr_en;
assign value_en = fifo_wr_err ? nxt_fifo_wr_err;

2） Clock Gating TradeOff：當我們努力實現 100% 的時鐘門控效率時，系統的面積將會增加。為了避免這種情況，我們可以TradeOff。在這里，我們組合了多個寄存器的使能，允許觸發器輸入處會有些冗余切換。這種TradeOff的默認值的建議是 3-4，這意味著在 3-4 個寄存器之間共享一個公共enable，但代價是Clock Gating效率降低。

寫入錯誤和讀取錯誤生成enable可以組合使用，以降低面積成本。

Listing 5. Combined Clock Gating Example 2

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
if (fifo_en)
fifo_wr_err <= nxt_fifo_wr_err;
always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_rd_err <= 0
else
if (fifo_en)
fifo_rd_err <= nxt_fifo_rd_err;
assign nxt_fifo_wr_err = fifo_full & fifo_wr_en;
assign nxt_fifo_rd_err = fifo_empty & fifo_rd_en;
assign fifo_en = fifo_wr_en | fifo_rd_en;

B. 基于FSM的控制

基于FSM狀態生成的信號可用于對發送和接收的所有邏輯進行門控。

Listing 6. Enable Generation based on FSM

assign transmit_cg_en = ?state_tx[IDLE];
assign receive_cg_en = ?state_rx[IDLE];

C. 數據路徑運算

數據路徑運算模塊（如乘法器）可能會在輸入端進行不必要的toggle，即使未啟用相應的計算。因此，以下技術可降低功耗。

時鐘門控為數據路徑操作提供輸入的時序邏輯

在輸入端使用鎖存器或者使用使能門控輸入

Listing 7. Gating Data Operator Input Toggling Method1

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0) begin
mul_in1 <= 0
mul_in2 <= 0
end
else
if (mul_en) begin
mul_in1 <= nxt_mul_in1;
mul_in2 <= nxt_mul_in2;
end

Listing 8. Gating Data Operator Input Method 2

assign mul_in1 = data_in1 &
{DATA_WIDTH{mul_en}};
assign mul_in2 = data_in2 &
{DATA_WIDTH{mul_en}};

D. 減少組合邏輯的toggle

組合邏輯的功耗可以通過避免不必要的輸入toggle來控制。這里可以考慮一個多路復用器作為示例，它是組合邏輯的常見模塊。

在下圖給出的示例電路中，我們有一個由兩個packetizers訪問的共享數據存儲器。在這里，我們確實有明顯的功耗浪費，因為當packetizer1 訪問數據時，packetizer2 的輸入將切換toggle，反之亦然。

功耗更優化的設計將把輸入門控到packetizer中的 MUX。

如果我們能把內存拆分成幾個部分，我們就可以進行更細粒度的gate，從而產生更有效的門控效率。但缺點是routing congestion和面積成本。

三、RTL功耗分析工具

ASIC 設計流程正在使用 RTL 分析工具在早期階段考慮分析功耗。

RTL設計文件使用VCD、SAIF或FSDB格式的仿真激勵文件，針對時鐘和數據toggle產生的功耗進行精心設計和分析。

審核編輯：黃飛