低功耗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)多年，為何低功耗設(shè)計(jì)還是那么難？

"IEEE 1801或更為業(yè)內(nèi)所熟知的UPF標(biāo)準(zhǔn)，是描述電源意圖（power intent）、設(shè)計(jì)及驗(yàn)證電源管理架構(gòu)的一套方法學(xué)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)自推出以來(lái)經(jīng)歷了4次大的更新，而不同版本之間的兼容性問(wèn)題也使該標(biāo)準(zhǔn)成為EDA領(lǐng)域最難支持的標(biāo)準(zhǔn)之一。"

十年前，低功耗領(lǐng)域的兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)終于在業(yè)界期待下進(jìn)行了融合，在達(dá)成這個(gè)結(jié)果之前，行業(yè)內(nèi)經(jīng)過(guò)了巨頭站隊(duì)、各自為營(yíng)的過(guò)程，其結(jié)果是給用戶(hù)體驗(yàn)造成了困擾。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是現(xiàn)在的IEEE 1801標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在業(yè)界也稱(chēng)為低功耗標(biāo)準(zhǔn)格式（UPF）。

在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)出來(lái)之前，功耗已經(jīng)成為最令全行業(yè)頭痛的問(wèn)題之一，連續(xù)多年來(lái)，都是國(guó)際會(huì)議上的焦點(diǎn)議題。彼時(shí)，工藝持續(xù)在按照摩爾定律演進(jìn)，功耗也可以持續(xù)改善。雖然晶體管縮小了，但是單位面積上功耗不降反升，甚至有人預(yù)測(cè)若不對(duì)此做出相應(yīng)的功耗改善，芯片功耗的能量密度將會(huì)趕上火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴射口的能量密度。

漸漸地業(yè)內(nèi)企業(yè)不再寄希望于工藝方面出現(xiàn)奇跡，所以必須進(jìn)行設(shè)計(jì)相關(guān)的功耗降低，也就是電源管理，這其中包括多電壓、電源關(guān)斷、電壓島等方法。但是其結(jié)果就是整個(gè)設(shè)計(jì)流程變得碎片化，流程中每個(gè)工具都有不同的文件格式，極難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

因此，用戶(hù)急需一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)可以描述電源意圖的工具成為了市場(chǎng)的需求。諾基亞的全球IC工具經(jīng)理Mika Naula在當(dāng)時(shí)表示，他對(duì)功耗標(biāo)準(zhǔn)的要求就是MISS（make it simple, silly）和KISS（keep it simple, stupid）。希望能有一個(gè)可用、可維護(hù)和支持驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)，這樣有助于工具之間的互操作性。

在此背景下，業(yè)界第一個(gè)低功耗的標(biāo)準(zhǔn)CPF (Common Power Format) 于2007年出爐了。通過(guò)CPF，設(shè)計(jì)師終于可以定義他們的功耗策略和框架了，而且因?yàn)槭菢?biāo)準(zhǔn)規(guī)范格式，只需要一次，工程師所定義的功耗意圖就可以應(yīng)用在整個(gè)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的流程之中。

這樣大大簡(jiǎn)化了這個(gè)流程，真正做到事半功倍的效果。 這個(gè)本應(yīng)給全行業(yè)帶來(lái)更多便利的工具卻成為了EDA巨頭爭(zhēng)奪的戰(zhàn)場(chǎng)，與CPF相應(yīng)的UPF標(biāo)準(zhǔn)也被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)義不同，當(dāng)時(shí)的用戶(hù)評(píng)價(jià)CPF和UPF做功耗意圖時(shí)是一樣的，但是在細(xì)節(jié)上卻是各行其道，用戶(hù)在使用工具時(shí)不得不選邊站隊(duì)，讓兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相互融合的呼聲也越來(lái)越高。

IEEE 1801發(fā)展演進(jìn)

2007年3月

Silicon Integration Initiative（Si2）組織發(fā)布了CPF 1.0，該標(biāo)準(zhǔn)由42條命令組成，可以描述低功耗意圖。該標(biāo)準(zhǔn)不僅可以顯著有效地降低了芯片的功耗，基于CPF的全流程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了跨團(tuán)隊(duì)之間的高效溝通協(xié)作。同年，Accellera組織通過(guò)了UPF 1.0草案。UPF 1.0由32個(gè)命令組成。

2008年

Si2組織發(fā)布了CPF 1.1。由于Accellera組織將UPF貢獻(xiàn)給IEEE，同年IEEE發(fā)布了IEEE 1801-2009標(biāo)準(zhǔn)，也被稱(chēng)為UPF 2.0。該標(biāo)準(zhǔn)向后兼容UPF 1.0，同時(shí)吸納了CPF的一些概念。對(duì)比1.0版本，UPF 2.0最大的不同是引入了supply_set的概念，一個(gè)supply_set有6個(gè)function，從而檢查會(huì)更加完善。

2011年

CPF 2.0發(fā)布。新版本優(yōu)化了層級(jí)流程、增強(qiáng)了驗(yàn)證仿真相關(guān)流程，同時(shí)提高了與IEEE 1801的互操作性。

2011年5月

促成日后電源格式融合的里程碑事件是Si2宣布對(duì)IEEE開(kāi)放低功耗方法論 （OpenLPM）。方法融合的直接好處是增強(qiáng)了采用混合低功耗格式設(shè)計(jì)流程中不同格式之間的互操作性。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，方法論的趨同也成為了標(biāo)準(zhǔn)格式融合的快車(chē)道，讓兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)盡快達(dá)成一致。

2013年

自Si2把CPF 2.0貢獻(xiàn)給IEEE之后，這一年IEEE 1801-2013（UPF 2.1）發(fā)布，其中包含11條新的UPF命令，此版本象征了CPF和UPF的正式融合。該版本對(duì)先前的命令做了進(jìn)一步改進(jìn)、引入了電源模型和中繼器策略，以及一些電源管理單元定義命令。UPF 2.1共包含86個(gè)命令：46個(gè)功耗意圖、6個(gè)電源管理和34個(gè)Query命令。

2014年

此后不久，2014年發(fā)布了UPF 2.1的修訂版——IEEE 1801a-2014（UPF 2.2）。此修正案中沒(méi)有引入新命令，也沒(méi)有棄用或刪除任何命令。該版本糾正了UPF 2.1中的錯(cuò)誤。改正了與電源狀態(tài)、電源、優(yōu)先規(guī)則和電源管理單元位置的語(yǔ)義相關(guān)的歧義和不一致之處。

2015年

IEEE 1801-2015（UPF 3.0）定稿并獲得批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)引入了11條新命令。一共由62條命令組成：51個(gè)功耗意圖、6個(gè)電源管理和5個(gè)Query命令。新增內(nèi)容包括電源狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換的功能增強(qiáng)，以及對(duì)IC設(shè)計(jì)流程不同階段電源意圖連續(xù)改進(jìn)的支持。該版本還引入了詳細(xì)的信息模型，作為增強(qiáng)包UPF功能和查詢(xún)功能的基礎(chǔ)。此外，它現(xiàn)在還支持在虛擬原型應(yīng)用中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)功耗分析的組件功耗建模。

2018年

到目前為止最新IEEE 1801-2018（UPF 3.1）發(fā)布。此版本是IEEE 1801的重要里程碑，添加了多項(xiàng)新功能并明確了現(xiàn)有功能，同時(shí)保持了先前版本之間一定程度的向后兼容性。

隨著低功耗設(shè)計(jì)方法學(xué)的演進(jìn)以及越來(lái)越多的用戶(hù)開(kāi)始使用UPF，UPF標(biāo)準(zhǔn)會(huì)持續(xù)迭代升級(jí)，而這種升級(jí)包含但不限于對(duì)現(xiàn)有語(yǔ)義不完整或有歧義的地方進(jìn)行修改，UPF也將滿足用戶(hù)更加多元的需求。

UPF經(jīng)歷了多代更迭才發(fā)展到現(xiàn)在，然而用戶(hù)在使用UPF的時(shí)候出于使用習(xí)慣等原因未必會(huì)使用最新版。

在某些情況下，當(dāng)設(shè)計(jì)遷移到新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，屬性規(guī)范可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，這表明設(shè)計(jì)中存在潛在問(wèn)題，來(lái)自Liberty和UPF的信息存在沖突。因此工程師還需要編輯UPF文件并確保在電源意圖中指定了正確的信息集。

多版本導(dǎo)致歧義

IEEE 1801雖然一步步趨于完善，但對(duì)用戶(hù)的使用也產(chǎn)生了一定的困擾，尤其是各個(gè)版本之間存在語(yǔ)義、語(yǔ)法上的歧義甚至是沖突。

而目前市面上常用的EDA工具往往不能很好地兼容各個(gè)UPF版本，這也就使得芯片工程師不得不遷就EDA工具。 下面僅舉幾例說(shuō)明UPF各版本之間的差異。

一． UPF語(yǔ)法上的不一致, 但語(yǔ)義都是一樣的

1） 對(duì)電源狀態(tài)表（Power State Table）的支持：

UPF1.0 步驟一：定義supply_ports的電源狀態(tài)

add_port_statevdd1-state{s080.8}-state{offoff}
add_port_statevdd2-state{s090.9}-state{offoff}
add_port_state vss        -state {s0  0}

步驟二：列出supply_ports之間的狀態(tài)關(guān)系

create_pst PST1 -supplies {vdd1 vdd2 vss}
add_pst_state M1 -pst PST1 -state {s08 s09 s0}
add_pst_state M2 -pst PST1 -state {s08 off s0 }

UPF2.0 步驟一：定義supply_sets的電源狀態(tài)

create_supply_set SS1 -function {power vdd1} -function {ground vss}
create_supply_set SS2 -function {power vdd2} -function {ground vss}
add_power_state SS1 -state {on 
     -supply_expr { (power == {FULL_ON 0.8}) && (ground == {FULL_ON 0.0}) }
add_power_state SS2 -state {on 
     -supply_expr { (power == {FULL_ON 0.9}) && (ground == {FULL_ON 0.0}) }

步驟二：列出supply_sets之間的狀態(tài)關(guān)系

add_power_state pd1 -state {m1  -logic_expr {  SS1==on   &&   SS2==on  }}

二． 語(yǔ)義不一致

1）電源域邊界（power domain boundary）的定義不一樣

UPF 1.0中定義僅是upper boundary，UPF 2.0及以上定義包括upper boundary和lower boundary。如下圖, 對(duì)于藍(lán)色這個(gè)power domain來(lái)說(shuō)，在UPF 1.0的定義中，有效的elements是P1、P3。而在UPF 2.0的定義中，有效的elements是P1、P2和P3。



2)option -diff_supply_only的默認(rèn)值不一樣

在set_level_shifter的command里面有一個(gè)option叫做-diff_supply_only。UPF 2.1及以下版本：默認(rèn)值是false，表示不管source的電源和sink的電源是否是等價(jià)，當(dāng)有set_level_shifter這個(gè)命令的時(shí)候，必須在它的elements上加level shifter cell。后來(lái)IEEE標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)認(rèn)為這不合理，因?yàn)橹挥衧ource和sink的電源不等價(jià)時(shí)才需要加level shifter cell，因此在UPF 3.0版本里把-diff_supply_only的默認(rèn)值改成了true。

輕松搞定低功耗設(shè)計(jì)，讓你的產(chǎn)品更COOL

市場(chǎng)對(duì)低功耗的需求越來(lái)越高，不只是便攜設(shè)備的電池需要更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，非便攜設(shè)備也要降低冷卻裝置的成本，不僅如此，功耗近幾年還成為了制約大算力芯片發(fā)展的重要瓶頸之一。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重視，越來(lái)越多的公司和組織開(kāi)始采取行動(dòng)，推動(dòng)電子設(shè)備的能效，這也將促進(jìn)IEEE 1801標(biāo)準(zhǔn)在芯片設(shè)計(jì)中的采用和推廣。 英諾達(dá)作為一家本土EDA公司，自創(chuàng)立之初就在低功耗領(lǐng)域積極布局，目前EnFortius“凝鋒”系列低功耗EDA工具已經(jīng)推出了兩款低功耗工具——LPC低功耗設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具和GPA門(mén)級(jí)功耗分析工具。

這兩款工具采用了全新的產(chǎn)品架構(gòu)，為業(yè)界首個(gè)基于UPF 3.1版本信息模型搭建核心電源意圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的EDA工具，該數(shù)據(jù)庫(kù)功能豐富，可以有效地訪問(wèn)UPF中描述的任何電源意圖信息。 基于一些歷史原因，在英諾達(dá)的系列低功耗EDA工具面世之前，市場(chǎng)上沒(méi)有一款工具可以同時(shí)支持CPF和早期UPF版本，另外由于標(biāo)準(zhǔn)更新速度快，迄今許多大廠也尚未支持最新版中的一些命令和語(yǔ)義。

而英諾達(dá)的系列工具兼容了老版本的命令及語(yǔ)義，保證了最大程度的通用性及靈活性用以支持不同客戶(hù)的實(shí)際需求。 英諾達(dá)秉持以客戶(hù)需求為導(dǎo)向，幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化的理念，將持續(xù)在低功耗領(lǐng)域深耕，與客戶(hù)一起克服低功耗設(shè)計(jì)的難題，為中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供更為卓越的EDA解決方案。

審核編輯：劉清