IC設(shè)計低功耗標(biāo)準(zhǔn)之爭 如何降低芯片功耗是關(guān)鍵

如何降低芯片功耗目前已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的熱點問題。過去，對于集成器件制造商（IDM）來說，最直接的作法就是通過先進(jìn)的制程工藝和材料比如低K介質(zhì)來解決，低功率設(shè)計可以通過將自己設(shè)計團(tuán)隊的技能和經(jīng)驗進(jìn)行結(jié)合而實現(xiàn)。

然而，當(dāng)進(jìn)入90nm后，漏電流問題日益凸現(xiàn)，CMOS靜態(tài)功耗驟增，功率管理開始成為一個重要的考慮因素。這種情況在65nm與45nm以下將更為嚴(yán)重，因為工藝節(jié)點的不斷縮減導(dǎo)致柵極氧化層厚度越來越薄，柵極泄漏呈指數(shù)增長，最終動態(tài)功耗等于亞閾值泄漏電流，也等于柵極泄漏電流。這就迫使業(yè)界必須從IC的設(shè)計端就開始采用低功耗設(shè)計技術(shù)。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計工程師們開始提倡采用復(fù)雜的時鐘門電路開關(guān)方案，從而減少了不必要的門電路開關(guān)操作。如今，為了滿足功率方面的目標(biāo)，設(shè)計人員運用了各種先進(jìn)的低功率設(shè)計技巧，包括多閾值設(shè)計、多電壓設(shè)計、動態(tài)頻率電壓縮放（DVFS）、時鐘門控、可感知功耗的內(nèi)存以及功率門控等等。

在設(shè)計早期進(jìn)行有效的功率評估

毋庸置疑，在產(chǎn)品成功因素中，面市時間是重要因素之一，有時甚至決定著產(chǎn)品的成敗。因此在設(shè)計早期解決潛在低功耗問題對于提高生產(chǎn)率是至關(guān)重要的。

Synopsys公司資深顧問工程師李昂表示，在設(shè)計早期（即系統(tǒng)架構(gòu)階段）評估系統(tǒng)層面低功耗的策略和代價對于后面的實現(xiàn)非常重要。在這階段評估的低功耗策略主要應(yīng)注意的方面包括：系統(tǒng)軟硬件的劃分、是否采用多電壓（multi-voltage）、是否采用電源關(guān)斷（multi-supply）、采用片上還是片外電源管理、低功耗IP的選擇等。在這階段的評估，一方面是通過對過往系統(tǒng)的評估經(jīng)驗，一方面可以通過快速原型設(shè)計，通過Eclypse系統(tǒng)對設(shè)計原型進(jìn)行功耗估算，以評價設(shè)計的代價和功耗節(jié)省的效果。

Cadence公司高級技術(shù)主管Brad Miller也表達(dá)了相同的觀點。他表示，以下五個方面將確保設(shè)計者高效而精確的達(dá)到他們的目標(biāo)：1、確定設(shè)計中耗費功率的元器件；2、采用精確的開關(guān)行為數(shù)據(jù)；3、生成開關(guān)行為時考慮仿真模式；4、采用精確的線路模型；5、采用表示最壞情況功率的庫。

圖1：很多設(shè)計相對邏輯是“相連的”，但對功耗是“不相連”的，且不能自動完成設(shè)計

多種低功耗設(shè)計解決方案應(yīng)對功耗挑戰(zhàn)

但是，不同低功耗技術(shù)的EDA支持是支離破碎的，結(jié)果設(shè)計師不得不通過一系列特殊手段定義低功耗功能。更重要的是，設(shè)計的可預(yù)測性和驗證變得極其困難。同時，由于設(shè)計上的復(fù)雜度以及以前缺乏EDA自動化手段的原因，工程設(shè)計團(tuán)隊面臨著手工分析和運用這些技巧的難題，而且也沒把握在不影響性能的條件下滿足功耗預(yù)算目標(biāo)。

Cadence公司相關(guān)人士就指出，目前的很多設(shè)計可以說對邏輯是“相連的”，因為所有流程都處理邏輯信息，可以自動完成；但對功耗來說是“不相連”的，因為針對每個流程，功耗問題都是獨立的，并相互影響。而且最重要的是還不能自動完成功耗設(shè)計，許多地方需要手動來完成。

因此，有效的低功率設(shè)計要求設(shè)計團(tuán)隊、IP供應(yīng)商以及工具和解決方案提供商之間展開協(xié)作。只有通過實施連貫一致的方法，并將這些方法運用在供應(yīng)鏈賴以存在的整個工具領(lǐng)域，電子行業(yè)才能真正解決低功率設(shè)計所面臨的不斷增長的挑戰(zhàn)。

圖2：Synopsys Eclypse低功率解決方案

Synopsys Eclypse低功率解決方案

Eclypse解決方案支持標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一功耗格式（UPF）語言，并兼容低功率設(shè)計方法指南（LPMM）。采用了諸如MTCMOS功耗門控、多電壓、以及動態(tài)電壓和頻率縮放（DVFS）等多種低功耗設(shè)計技術(shù)，使工程師的芯片設(shè)計和驗證發(fā)生較大轉(zhuǎn)變。設(shè)計者可以利用增強的時鐘門控和低功耗時鐘樹綜合，在為低功耗而優(yōu)化時鐘結(jié)構(gòu)的同時，兼顧時鐘抖動和時序等目標(biāo)；多閾值漏電流優(yōu)化利用選項限制了Vt的比例，提供獨立于設(shè)計處理的最佳漏電流功耗優(yōu)化；電源開關(guān)插入和優(yōu)化的增強型自動化功能，使電壓降和面積限制能夠用于功耗規(guī)劃和假設(shè)分析。

Cadence低功耗設(shè)計方法學(xué)錦囊

Cadence公司的低功耗設(shè)計方法學(xué)錦囊（Cadence Low-Power Methodology Kit）提供了一個覆蓋邏輯設(shè)計、功能驗證和物理實現(xiàn)的端到端方法學(xué)，它使用Si2的通用功耗格式（CPF），在整個流程中提供單一的低功耗意圖規(guī)范。該錦囊包括了一個通用無線應(yīng)用設(shè)計，實現(xiàn)時采用了多供電電壓和電源關(guān)斷技術(shù)等方法，并且包含了在整個端到端流程中承載設(shè)計意圖的相關(guān)指令腳本和技術(shù)文件。

這個錦囊是易于組合使用的，包括6個不同的流程：低功耗功能仿真、邏輯綜合、可測試性設(shè)計（DFT）和自動測試矢量生成（ATPG）、物理設(shè)計、形式實現(xiàn)、驗證和功耗網(wǎng)格簽收。用戶可以將該錦囊作為一個完整的流程來實施，或選擇單獨的選擇模塊使用。

圖3：Cadence低功耗設(shè)計方法學(xué)錦囊

IC設(shè)計低功耗標(biāo)準(zhǔn)之爭

從2007年伊始，圍繞針對低功耗IC設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，兩大EDA陣營就展開了激烈競爭。一方是由Cadence公司開發(fā)、Si2（Silicon Integration Initiative）的低功耗聯(lián)盟（LPC）管理的CPF；而另一方是則是由Synopsys、Mentor Graphics和Magma Design Automation公司支持的UPF。UPF和CPF都允許用戶在整個RTL-to-GDSII設(shè)計流程中定義功率設(shè)計意圖和約束條件，并且二者的實現(xiàn)方法也非常相似。

Cadence 公司亞太區(qū)總裁居龍表示，CPF的優(yōu)勢是就是以用戶為中心－用戶驅(qū)動、用戶采用。UPF標(biāo)準(zhǔn)是CPF的響應(yīng)，最初因為一些專利問題，CPF沒有被置于公共領(lǐng)域（public domain）。但后來Cadence將其提交給了IEEE，使CPF能夠面向行業(yè)開放。他認(rèn)為，從設(shè)計角度來看，完全沒有必要出現(xiàn)兩個標(biāo)準(zhǔn)，因為它們實際討論的是同一件事情。

Synopsys公司Bruce Jewett認(rèn)為，UPF是一種開放式語言，其優(yōu)勢是被IEEE看好。至于今后兩個標(biāo)準(zhǔn)是否會進(jìn)行融合，兩家EDA巨頭均表示這完全取決于市場和商業(yè)利益，其實用戶真正關(guān)心的，是擁有確定的解決方案，能夠幫助他們解決目前遇到的問題。

而據(jù)日經(jīng)BP社報道，瑞薩公司DFM及數(shù)字EDA技術(shù)部門總工程師井上善雄對兩個派系通過集中各種規(guī)格的EDA工具，從而構(gòu)筑整個低功率設(shè)計流程的觀點提出了置疑。他表示：“如利用大量常見的普通工具構(gòu)筑流程，會出現(xiàn)與CPF和UPF工具混在一起的情況。從這個意義上來說，CPF和UPF的整個流程都是紙上談兵?！?/p>

但另一個有趣的情況是，推出被井上稱作CPF和UPF的“超級組合”，同時支持靜態(tài)驗證和動態(tài)驗證規(guī)范的ArchPro公司在2007年6月被Synopsys收購。在此次Synopsys推出的Eclypse低功率解決方案中，我們就看到了MVRC、MVSIM等ArchPro工具的身影?？梢灶A(yù)見，在未來一段時間內(nèi)，雙方陣營勢必將圍繞低功率標(biāo)準(zhǔn)展開一番激烈的爭斗。
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