數(shù)字集成電路動(dòng)態(tài)功耗優(yōu)化策略分析與評估

芯華章持續(xù)助力第四屆集成電路EDA設(shè)計(jì)精英挑戰(zhàn)賽，并邀請華南理工大學(xué)王小航教授帶來詳細(xì)的賽題解析，希望能夠幫助同學(xué)們更加從容應(yīng)對賽事，賽出水平！

1

賽題背景分析

低功耗設(shè)計(jì)是數(shù)字系統(tǒng)非常重要的考慮因素。為了支持低功耗設(shè)計(jì)，首先要對功耗進(jìn)行計(jì)算。功耗可分為靜態(tài)功耗（漏電流引起）和動(dòng)態(tài)功耗（門翻轉(zhuǎn)引起）。在本賽題中，我們主要考慮動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算方法。 動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式如下： ?其中，VDD為電壓，C為等效電容，Tr為翻轉(zhuǎn)率，即單位時(shí)間內(nèi)邏輯門從0→1或從1→0的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。我們可以把電壓和等效電容近似視為常數(shù)，對于不同的電路負(fù)載，統(tǒng)計(jì)其Tr，就可以計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗。 這道賽題的目的，就是讓大家通過VCD文件來統(tǒng)計(jì)一個(gè)電路負(fù)載的翻轉(zhuǎn)率。 如何得到翻轉(zhuǎn)率呢？我們回顧一下，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，先設(shè)計(jì)其RTL（如verilog）代碼，并編寫testbench給出激勵(lì)進(jìn)行測試，如下所示： ?用常見的仿真工具跑如上RTL代碼和testbench，可得到如下的輸出結(jié)果波形： 信號(hào)變化波形圖（芯華章科技股份有限公司-Fusion Debug 提供） 仿真工具可以把上述波形輸出VCD文件，類似： ?好，現(xiàn)在重點(diǎn)來了。給定VCD文件（其實(shí)就是波形的文本表示），我們就可以統(tǒng)計(jì)翻轉(zhuǎn)率，進(jìn)而利用上述的功耗公式來計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗，它們之間的邏輯關(guān)系如下圖： ?在本賽題中，我們只關(guān)注如何從VCD文件（對應(yīng)波形）到翻轉(zhuǎn)率的解析。

2

賽題要點(diǎn)解析

本賽題主要就是進(jìn)行VCD文件的解析，然后根據(jù)題目的要求，得到不同的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如翻轉(zhuǎn)次數(shù)tc，信號(hào)邏輯值為1的時(shí)間t1, 信號(hào)邏輯值為0的時(shí)間t0，信號(hào)邏輯值為x的時(shí)間tx，以及信號(hào)邏輯值為1的概率又稱靜態(tài)概率sp）、某個(gè)時(shí)間窗口的統(tǒng)計(jì)結(jié)果、不同層次信號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。 因此，首先需要定義一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示信號(hào)時(shí)間序列，可以用數(shù)組或者vector等，將VCD文件讀取、解析為這些信號(hào)時(shí)間序列變量，再針對這些變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到所需的輸出。如下圖所示： ?

2.1 VCD文件解析

VCD文件解析的思路如下：

• 首先掃描文件頭，建立每個(gè)信號(hào)對應(yīng)的數(shù)組或者vector。

• 將VCD文件看作是不同時(shí)間段的信號(hào)改變，對于一個(gè)時(shí)間段，掃描各個(gè)變量的值的變化，記錄其變化，就構(gòu)成了時(shí)間序列。

?這樣，掃描完一個(gè)文件之后，各個(gè)變量隨時(shí)間變化的序列就存下來了。

2.2統(tǒng)計(jì)輸出

有了信號(hào)的時(shí)間序列值，可以根據(jù)題目要求打印統(tǒng)計(jì)結(jié)果。主要考慮幾方面：

• 翻轉(zhuǎn)率等參數(shù)的計(jì)算，需要統(tǒng)計(jì)1和0的時(shí)間。

• 一個(gè)時(shí)間窗口的統(tǒng)計(jì)值，需要截取一個(gè)時(shí)間窗口進(jìn)行計(jì)算。

• 層次化的信號(hào)，需要從文件中讀取信號(hào)間的層次關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。

對于題目中的加分項(xiàng)，即給定VCD文件畫波形，可以嘗試采用matlab或者python等工具，生成一個(gè)數(shù)組和畫圖腳本，調(diào)用這些外部畫圖工具來畫圖。

2.3多核加速

在題目要求中提到了多核加速，假如你的電腦有多個(gè)核，就可以用多線程方式加速。多核加速的本質(zhì)是將任務(wù)劃分到多個(gè)線程，讓多個(gè)線程在多個(gè)核上同時(shí)運(yùn)行從而提高計(jì)算速度。 加速方法有兩種，一種是將文件讀入到內(nèi)存，然后將不同的行分配到不同的核/線程來處理，我們稱之為橫向劃分；另外一種是將文件切分開分到不同的核，每個(gè)核處理文件的不同段，我們稱之為縱向劃分。 ?可以采用pthread或者openMP進(jìn)行并行編程，需要注意線程間的同步和鎖機(jī)制。

2.4文件處理

當(dāng)VCD文件很大時(shí)，為了減少一次性讀入占用太多內(nèi)存，可以每次讀入一部分文件存在內(nèi)存中，如用getline等函數(shù)每次讀一行等。

3

建議解題步驟

1

對VCD的基本語法先熟悉一下，如信號(hào)名字的對應(yīng)關(guān)系，每一行表示什么含義等。

2

實(shí)現(xiàn)VCD文件到信號(hào)時(shí)間序列變量的轉(zhuǎn)換。這是一個(gè)文本逐行解析的過程。

3

寫統(tǒng)計(jì)分析的模塊，每個(gè)模塊對應(yīng)不同的統(tǒng)計(jì)需求，相對獨(dú)立。

4

學(xué)習(xí)pthread或openMP多線程編程，學(xué)習(xí)如何創(chuàng)建線程、線程間如何同步、加鎖等。

5

用pthread或openMP提高你的程序的效率，這里需要并行劃分程序。

6

嘗試一下不同的文件讀取速度和占用內(nèi)存情況，選擇一個(gè)占用內(nèi)存比較小的方式。

4

其它注意事項(xiàng)

大家在解題時(shí)還需要注意以下幾點(diǎn)： 1）不要輕易放棄，題目本身難度不大，已經(jīng)提煉成了算法題，前期的知識(shí)準(zhǔn)備要花點(diǎn)時(shí)間； 2）一定要積極參加培訓(xùn)，很多知識(shí)其實(shí)一點(diǎn)就透；在沒有相關(guān)背景積累的情況下學(xué)習(xí)會(huì)有一定的挑戰(zhàn)性，但也可以補(bǔ)充很多知識(shí)； 3）要遵循循序漸進(jìn)、從易到難的解題思路，切不可貪大求全讓自己陷入到重重迷霧之中； 最后，預(yù)祝各位同學(xué)發(fā)揮出自己的水平，取得良好的成績。 審核編輯 ：李倩