EDA工具里的功耗是怎么計(jì)算出來(lái)的？

在當(dāng)下的芯片設(shè)計(jì)中，工藝越先進(jìn)，芯片規(guī)模越大，功耗就越發(fā)敏感，降低功耗的訴求越來(lái)越緊迫。 功耗優(yōu)化一定是建立在計(jì)算和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。那么對(duì)于EDA而言，功耗是怎么算出來(lái)的呢？今天，就讓小編帶領(lǐng)大家一起從EDA的視角，來(lái)洞察功耗計(jì)算的零零總總。 開(kāi)篇之前，先復(fù)習(xí)一下功耗的計(jì)算公式：注解

EDA對(duì)功耗評(píng)估的分類(lèi)

基于上述功耗的計(jì)算理論，為了方便計(jì)算，EDA工具對(duì)功耗的評(píng)估分為如下幾類(lèi)

基于library非功耗的信息，計(jì)算功耗

基于SDPD的功耗查看

leakage power可以基于SDPD，直接查看library獲取功耗

• 基于器件輸入狀態(tài)進(jìn)行功耗查看：器件狀態(tài)決斷SDPD （Status Dependency Path Dependency）
• library同時(shí)提供默認(rèn)的leakage power的功耗信息

基于SDPD和pin的屬性查找表

internal power可以基于SDPD和input/outputl 的RC屬性查找表來(lái)獲取

• 基于SDPD的數(shù)據(jù)查詢
• input pin：基于input transiton的查找表
• output pin：基于input transiton和output cap的查找表
• cel的internal power是所有pin在SDPD下的總和

注釋?zhuān)篠DPD是一種瞬態(tài)值。在芯片常規(guī)的工作中，某一時(shí)刻，芯片是某一種固定的SDPD，所以一個(gè)芯片的實(shí)際工作狀態(tài)（功耗）是由各種SDPD按照出現(xiàn)的比率描述的一個(gè)完備值（各種SDPD出現(xiàn)概率總和是100%）
據(jù)上，器件的功耗的相關(guān)性可以用如下的表格來(lái)歸類(lèi)

EDA的功耗計(jì)算示例

EDA工具提供了相應(yīng)的信息和抽取方式來(lái)擬合library的描述。以常用的DC工具里的report_power命令為例，工具會(huì)羅列出下面的功耗信息：

表頭解析： ? DC也會(huì)把器件分類(lèi)進(jìn)行功耗報(bào)告打?。?img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/9A/7B/wKgaomTnjEKAB4YcAAJN-awWtKY407.png" alt="b707b1c6-daf9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png" />
對(duì)于器件的分類(lèi)方法見(jiàn)下表：
通常，report_power默認(rèn)行為是打印類(lèi)似上述的芯片功耗的總和結(jié)果，這些都是每一個(gè)器件單獨(dú)功耗的合計(jì)值，當(dāng)然，也可以使用一些選項(xiàng)打印出某一個(gè)cell或者net或的功耗細(xì)節(jié)。
但是通常不太會(huì)這么做，因?yàn)槿タ疵恳粋€(gè)cell或者net的功耗意義并不很大，反而是找到芯片里邊的最差功耗的cell或者net會(huì)比較有趣（設(shè)計(jì)里的功耗大戶）。
譬如關(guān)心cell的動(dòng)態(tài)功耗，這時(shí)可以使用下列命令來(lái)羅列：

如果用戶對(duì)功耗最大的cell比較感興趣，可以使用-verbose的選項(xiàng)
羅列出更多的細(xì)節(jié)：

類(lèi)似的也可以針對(duì)net類(lèi)型進(jìn)行sort、verbose的報(bào)告。

cell、net和pin的功耗歸一化

從上文描述中可以看到，net會(huì)描述switching power，cell對(duì)標(biāo)的則是internla power和leakage power。但是工具在產(chǎn)生報(bào)告的時(shí)候，無(wú)論是net還是cell都會(huì)把三類(lèi)功耗打印完全，這里是使用output pin對(duì)應(yīng)的net來(lái)做的cell、net歸一化處理
對(duì)于internal power，其在在library里的描述是pin based的
? 在report_power命令里邊，internal power被整合為cell類(lèi)型，但是本質(zhì)上就是所有pin在SDPD下的總和表達(dá)。 為了方便表達(dá)，工具使用了上述三種對(duì)象對(duì)功耗進(jìn)行了分拆，總結(jié)如下 可以看出，EDA工具為了簡(jiǎn)化對(duì)功耗的核算，使用了歸一化的操作，這樣可以大大減少報(bào)告數(shù)量和歧義，這個(gè)對(duì)library的訴求也是得到了一致。 在上文提到一個(gè)更為精準(zhǔn)化的描述方式，SDPD （Status Dependency Path Dependency），這個(gè)對(duì)于功耗計(jì)算有實(shí)際的影響。那么為何在功耗的計(jì)算里邊會(huì)有這個(gè)SDPD呢？SDPD又是通過(guò)怎么樣的方式影響功耗計(jì)算呢？一起打開(kāi)工藝庫(kù)的信息一探究竟吧！

工藝庫(kù)的功耗描述

工藝庫(kù)里的漏電功耗（leakage power）描述

打開(kāi)一個(gè)MUX2 cell的lib描述，看看和leakage power相關(guān)的的信息

cell ("SEL_MUX2_4") { cell_footprint : "DST_MUX2"; # default leakage power= default_VBP_leak + default_VDD_leak cell_leakage_power : 0.021083775; # 偏置電壓對(duì)應(yīng)的功耗 leakage_power () { related_pg_pin : "VBP"; value : "1.37375e-05"; # common-power leakage leakage_power () { related_pg_pin : "VDD"; value : "0.0210700375"; # SDPD !D0&!D1&!S leakage power @ VBP leakage_power () { related_pg_pin : "VBP"; when : "!D0&!D1&!S"; value : "5.57835028e-06"; # SDPD !D0&!D1&!S leakage power @ VDD leakage_power () { related_pg_pin : "VDD"; when : "!D0&!D1&!S"; value : "0.0183689763";

• 漏電電壓是由所有的power rail 所構(gòu)成：譬如這里就有bias和common的區(qū)分
• SDPD是所有輸入可能的描述 可以使用腳本快速進(jìn)行抓取轉(zhuǎn)成列表。 可以看到，這是一個(gè)三輸入的器件，那么總計(jì)會(huì)有8中輸入可能，lib的leakage的信息基于輸入可能性的全完備羅列。 對(duì)于一個(gè)包含SI和SE的DFF，這里有CLK的器件，對(duì)于不同Q的輸出，器件的狀態(tài)也不一樣，會(huì)導(dǎo)致漏電的不同，所以可以看到FF的漏電信息，包含的輸出口Q的影響，這樣總共就有4+1=5個(gè)管件的組合方式，亦即32中可能，加上默認(rèn)，全備的漏電信息表格如下： 至于為何會(huì)有Q輸出管教的信息來(lái)組合成為leakage power tabel，一起回顧一下大學(xué)課本里的下圖就可以領(lǐng)略到其中的原理了：Q和!Q都會(huì)反接回來(lái)構(gòu)成類(lèi)似鎖存的結(jié)構(gòu)體： 圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，侵刪

還有一個(gè)細(xì)節(jié)可以通過(guò)此表了解到，bias電源導(dǎo)致的漏電比主電源（VDD）要來(lái)的小的多。這也是吻合偏置電壓的原理的。

工藝庫(kù)里的內(nèi)部功耗（internal power）描述

以MUX2 為例，一起看一下interenal power的描述：

cell ("SEL_MUX2_4") { ...... pin (S) { capacitance : 0.002820029; direction : "input"; fall_capacitance : 0.002761232; max_transition : 4.308; related_ground_pin : VSS; related_power_pin : VDD; rise_capacitance : 0.002878826; internal_power () { # bias PG related internal_power description related_pg_pin : "VBP"; # condition when : "!D0&!D1"; fall_power ("pwr_tin_8") { index_1 ("0.009266, 0.0222816, 0.0535798, 0.1288418, 0.309822, 0.745016, 1.791516, 4.308"); values ("-5.63411e-05, -5.540512e-05, -6.377697e-05, -4.595821e-05, -6.756144e-05, -6.15605e-05, -6.171516e-05, -6.163207e-05"); } rise_power ("pwr_tin_8") { index_1 ("0.009266, 0.0222816, 0.0535798, 0.1288418, 0.309822, 0.745016, 1.791516, 4.308"); values ("8.111282e-05, 7.08698e-05, 5.968669e-05, 5.155256e-05, 5.807869e-05, 6.204414e-05, 6.182517e-05, 6.175735e-05"); } } internal_power () { # common PG related internal_power description related_pg_pin : "VDD"; # condition when : "!D0&!D1"; # the internal_power during pin S falling edge fall_power ("pwr_tin_8") { index_1 ("0.009266, 0.0222816, 0.0535798, 0.1288418, 0.309822, 0.745016, 1.791516, 4.308"); values ("0.002097898, 0.00210684, 0.001989685, 0.002036636, 0.001995899, 0.001987284, 0.001991492, 0.002053458"); } # the internal_power during pin S rising edge rise_power ("pwr_tin_8") { index_1 ("0.009266, 0.0222816, 0.0535798, 0.1288418, 0.309822, 0.745016, 1.791516, 4.308"); values ("-0.0001334809, -6.114718e-05, -0.000153519, -0.0001819992, -0.0002029397, -0.0002175415, -0.0002181976, } } } ...... pin (X) { direction : "output"; function : "((D0&!S)|(D1&S)|(D0&D1))"; max_capacitance : 0.8309614; max_transition : 4.308; min_capacitance : 6.155e-05; related_ground_pin : VSS; related_power_pin : VDD; power_down_function : "!VDD+!VBP+VSS+VBN"; internal_power () { related_pg_pin : "VBP"; # Path Dependency related_pin : "D0"; # Status Dependency when : "!D1&!S"; # X: falling edge power due to related D0 change. positive unate fall_power ("pwr_tin_oload_8x7") { index_1 ("0.009266, 0.0222816, 0.0535798, 0.1288418, 0.309822, 0.745016, 1.791516, 4.308"); index_2 ("6.155e-05, 0.000300464, 0.00146675, 0.00716013, 0.0349531, 0.170628, 0.832941"); values ("-0.0003287909, -0.0003265358, -0.0003263012, -0.0003258171, -0.0003259071, -0.0003233576, -0.0003219219", ...... "-0.0003294999, -0.0003285813, -0.0003292956, -0.0003293134, -0.0003286557, -0.0003291086, -0.0003283838"); } # X: rising edge power due to related D0 change. positive unate rise_power ("pwr_tin_oload_8x7") { index_1 ("0.009266, 0.0222816, 0.0535798, 0.1288418, 0.309822, 0.745016, 1.791516, 4.308"); index_2 ("6.155e-05, 0.000300464, 0.00146675, 0.00716013, 0.0349531, 0.170628, 0.832941"); values ("0.000327204, 0.000329085, 0.0003304601, 0.0003274369, 0.0003265309, 0.0003275536, 0.0003209762", ...... "0.0003299443, 0.000328975, 0.0003286823, 0.0003299806, 0.0003291929, 0.0003285925, 0.0003283199"); } } } ...... } 可以看到，internal power除過(guò)是status dependency，同時(shí)也是path dependency?；趇nternal power的特性，這里也同時(shí)需要考慮 input tran和output_cap的狀態(tài)。 通過(guò)腳本抽取，可以看到如下特性：

• 輸入pin：會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)rise和fall的internal power per rail。對(duì)應(yīng)的，每一個(gè)input的internal power也是被其他輸入pin的狀態(tài)所影響。
• 輸出pin：在一個(gè)input pin的path dependency的情況下，在其他的input pin的status dependency，這個(gè)唯一變化的輸入pin的變化，會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的rise和fall的internal power

工藝庫(kù)里的功耗描述小結(jié)

上面的闡述比較多，為了方便大家閱讀，以下面的表格做一個(gè)相關(guān)的小結(jié)： 花了一些時(shí)間一起學(xué)習(xí)了一下lib，看到這里，大家應(yīng)該可以理解為什么工具需要使用SDPD的方式來(lái)核算internal和leakage的power了吧：所有的計(jì)算都是基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和類(lèi)型

SDPD對(duì)于功耗計(jì)算的影響

在實(shí)際的芯片當(dāng)中，一個(gè)器件在不同時(shí)間的表現(xiàn)狀態(tài)可以不同，這里就像一個(gè)真值表，假定設(shè)計(jì)里邊有如下一個(gè)inverter器件的工作狀態(tài)。 所以，在對(duì)功耗的核算中，工具引入了下面兩個(gè)重要的參數(shù)

• Status Possibility （SP）: 各種狀態(tài)的出現(xiàn)比率，通常以一個(gè)周期的高電平所占比率來(lái)體現(xiàn)，譬如一個(gè)占空比50%的時(shí)鐘，那么他的SP就是0.5。這個(gè)參數(shù)會(huì)直接影響leakage pwoer，間接影響internal power
• toggle rate （TR）：反轉(zhuǎn)率，通常指一個(gè)單位時(shí)間（time unit）內(nèi)信號(hào)的反轉(zhuǎn)次數(shù)，包含上升沿和下加沿，譬如在一個(gè)以ns為單位時(shí)間的工藝?yán)铮?GHz的信號(hào)對(duì)應(yīng)的toggle rate就是2。這個(gè)參數(shù)會(huì)直接影響internal power

SP和TR計(jì)算示例

目前為止，有了TR和SP就可以展開(kāi)對(duì)leakage_power和internal_power的計(jì)算。在實(shí)際的芯片里邊，可以使用一些手段來(lái)計(jì)算器件的TR和SP，為此，筆者使用python完成了一個(gè)這樣的一個(gè)功能：基于輸入管腳對(duì)簡(jiǎn)單組合邏輯進(jìn)行輸出管腳的TR和SP的計(jì)算：

擁有了計(jì)算功耗計(jì)算的公式，以及自研程序，功耗計(jì)算的大門(mén)也就向大家徹底打開(kāi)了。