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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(shè)計，越來越受到推崇。這里，結(jié)合多年的低功耗設(shè)計經(jīng)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(tài)，一種是靜態(tài)。
先來看一下，動態(tài)功耗的計算公式為，


dynamic power = switching power + internal power


switching 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(dǎo)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
這里的Vth， CoxW/L都是工藝相關(guān)，不可以調(diào)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(fù)雜的增加，閾值電壓越高的器件，對應(yīng)的翻轉(zhuǎn)速度就會變慢，導(dǎo)致影響性能
下邊就一起來看一下，目前的設(shè)計領(lǐng)域里邊流行的那些降低功耗的技術(shù)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。總而言之，clock gating不但可以優(yōu)化動態(tài)功耗，同時還可以優(yōu)化面積(具有漏電功耗提高的可能)，這里也有一些別的數(shù)據(jù)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(jié)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(dǎo)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(tài)功耗的處境。


從40/28nm的0.99v到現(xiàn)在7nm的0.7v，通過改變工藝都可以有效降低動態(tài)功耗。相反，對于相同尺寸的die，工藝的提高預(yù)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(xiàn)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(yīng)的，現(xiàn)代芯片的功耗挑戰(zhàn)，會比以往來得更猛烈。


power gating (可關(guān)斷電源)


電壓降低了，動態(tài)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(dǎo)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(xiàn)中，使用Switchable Power domain的方式，來整體關(guān)斷某個或者某個區(qū)域、層級的器件，從而來降低整體靜態(tài)功耗。這個實現(xiàn)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(guān)，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(jié)構(gòu)可以所在std-cell的內(nèi)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(shè)計效果更好，甚至可以具體到某一個std-cell的電源開關(guān)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(yōu)勢，具體的實現(xiàn)方法也會簡化。具體的比較如下表：
結(jié)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(diào)配，所以現(xiàn)在很多設(shè)計里邊都會使用coarse gating而非fine gating的實現(xiàn)方法(如果真的使用fine gating，不知道后端實現(xiàn)工程師會不會咬人)


模塊關(guān)斷的方法可以大幅度降低leakage，但是也會帶來一些新的挑戰(zhàn)，主要是后端實現(xiàn)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(guān)斷，那么會引起系統(tǒng)性問題的。具體加下表：
動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)和自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)Adaptive Voltage Scaling (AVS)


在當下，為了節(jié)省功耗，各位工程師也是拼了。在后端實現(xiàn)的不斷調(diào)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(shè)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(fù)雜，就拿手機而言，譬如


用戶待機的時候，只需要網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(diào)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?shù)恼{(diào)度各個功能的使用和性能調(diào)節(jié)
這個示例是一個UART的構(gòu)造框圖，基于這樣的一個邏輯架構(gòu)，規(guī)劃出不同的使用場景，從而可以展現(xiàn)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(tǒng)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(yōu)化的可能，這也就是常說的DVFS，類似于一種對于預(yù)定義場景的一種查找表的操作。
和DVFS的簡單查找表不同，這里會在系統(tǒng)里邊集成一個PM(Performance Monitor)，對于系統(tǒng)的運行進行實時監(jiān)控，通過判斷，動態(tài)的調(diào)整電壓和頻率，這里可以引入一些自學習的功能，從而根據(jù)不同用戶的使用習慣，來提供更為細致的自定制服務(wù)。可以設(shè)想，愈發(fā)細致的個性化服務(wù)，加之自學習的預(yù)判功能，都可以進一步的提高電源功耗的優(yōu)化。


Vt cell的應(yīng)用


從上一篇文章可以看到，不同Vt下的cell特性是不同的，現(xiàn)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(yīng)該優(yōu)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(shè)計。工具的策略是，在功耗優(yōu)化的過程中，根據(jù)用戶設(shè)定的Vt等價置換規(guī)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(xiàn)的時候，通常由三個階段需要用到這個技術(shù)手段，這里給出一個通常的應(yīng)用場景供大家參考
版圖優(yōu)化


在版圖實現(xiàn)當中，后端實現(xiàn)的工具是非常靈活的，低功耗的設(shè)計當中，經(jīng)常會使用到power-domain和voltage-area這些技術(shù)來優(yōu)化power，簡單的講，通過UPF，在設(shè)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(guān)掉，這個時候，SW里的power-gating cell的輸出會呈現(xiàn)出一個無線接近電源(footer power-gating)或者地(header power-gating)的狀態(tài)，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。看一下這個例子：
一條路徑，從SW1出發(fā)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(guān)斷的時候，這兩個AO的buffer，不會有任何的動態(tài)功耗(dynamic power)，這是因為SW1的isolation的輸出已經(jīng)被鉗位(clamp)到無效態(tài)(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(yōu)化上來講一定是個更好的選擇




可以看到，中間的級數(shù)沒有發(fā)生改變，但是之前的buffer1和buffer2，都已經(jīng)被放置到了SW domain了，這樣，在SW關(guān)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(fù)雜，通過版圖的優(yōu)化調(diào)整，可以讓出更多的leakage power。


低功耗設(shè)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(yōu)化，勿以優(yōu)化小而不為，點點滴滴的進步就會造就更加節(jié)能的芯片實現(xiàn)。