簡(jiǎn)單的Voltus功耗分析

數(shù)字電路到了一定規(guī)模，把數(shù)字電路網(wǎng)表轉(zhuǎn)成原理圖，通過(guò)跑Spectre/Ultramsim仿真來(lái)獲得功耗就變得mission impossible了。新的運(yùn)算工具應(yīng)運(yùn)而生。Voltus的前生是EPS (Encounter Power System)，是一款非常優(yōu)秀的功耗分析工具。

數(shù)字電路功耗包括下面三個(gè)部分。

1. Switching power

這部分功耗來(lái)自各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元之間的連線(xiàn)interconnect的充放電。描述這部分功耗的經(jīng)典公式是。這里F代表頻率，A代表average switching activity。

從這個(gè)經(jīng)典公式可以衍生出有趣的問(wèn)題？如何降低switching power呢？通常CL在前端設(shè)計(jì)中無(wú)法控制。電路的F是設(shè)計(jì)指標(biāo)決定的，也改不了。前端設(shè)計(jì)能改變的只有A。這時(shí)前端設(shè)計(jì)中引入clock gating就很有必要了。當(dāng)然，有些使用場(chǎng)景可以降低V，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)有些困難的，需要供電電路能配合，需要庫(kù)在不同電壓下characterize?？傮w來(lái)說(shuō)，降低A是前端設(shè)計(jì)最直接最有效的降低switching power的方法。

2. Internal power

這部分是標(biāo)準(zhǔn)元內(nèi)部由switching造成的功耗。工具根據(jù).lib里的數(shù)據(jù)計(jì)算這部分功耗。下面是一個(gè)AND gate的例子。

輸入A變化引起的功耗。工具根據(jù)輸入A的transition time查詢(xún)r(jià)ise_power, fall_power表。這個(gè)例子簡(jiǎn)化了一些。通常這兩個(gè)表中的數(shù)據(jù)多幾個(gè)，工具插值計(jì)算更精確一些。

輸出Y的變化可以是輸入A變化引起的，也可以是輸入B變化引起的。Y的internal power相對(duì)復(fù)雜一些。這里rise_power，fall_power的表是二維的。工具根據(jù)相關(guān)輸入的input_transition_time，Y輸出的total_output_capacitance來(lái)查詢(xún)這幾個(gè)表。

標(biāo)準(zhǔn)元的internal power本質(zhì)上依然是電路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的switching引起的。設(shè)計(jì)中盡量降低各個(gè)節(jié)點(diǎn)的switching可以有效地降低相聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)元地internal power。

3. Leakage power

這部分就是常說(shuō)的漏電。即使電路處于靜止?fàn)顟B(tài)，沒(méi)有時(shí)鐘，沒(méi)有任何switching，這部分功耗依然存在。在低功耗待機(jī)狀態(tài)下，如何降低漏電功耗是設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

工具計(jì)算漏電功耗也是根據(jù).lib中的數(shù)據(jù)。下面是一個(gè)AND gate例子。這里可以看到leakage power是和A，B輸入的狀態(tài)有關(guān)的。A，B同時(shí)為高電平時(shí)leakage power最大，43.7371。如果A，B電平無(wú)法確定，工具取平均值，即第二個(gè)框里的33.4556。

Voltus雖然有幾個(gè)工作模式，但各個(gè)模式下功耗的算法依然遵循上面分的三類(lèi)。各個(gè)模式的區(qū)別只是設(shè)置而已。

Voltus static power

Voltus static power本質(zhì)上算的是電路的平均功耗。

Voltus static power要求用戶(hù)提供各個(gè)輸入的activity。工具根據(jù)用戶(hù)提供的activity，加上SDC文件內(nèi)時(shí)鐘的定義，就可以推算出內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的activity，再配合SPEF文件內(nèi)各個(gè)連線(xiàn)的RC，就可以算出這個(gè)電路的switching power。同時(shí)，工具也知道內(nèi)部每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元的輸入輸出特性，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元的internal power也就可以算出來(lái)了。

Voltus static power理論上可以算得蠻準(zhǔn)的，但實(shí)際操作上是有陷阱的。如果用戶(hù)提供的activity不準(zhǔn)，計(jì)算的結(jié)果就偏離了。很多時(shí)候，默認(rèn)的activity 0.1可能過(guò)于悲觀(guān)，造成static power也過(guò)于悲觀(guān)。

Voltus dynamic power

Voltus dynamic power本質(zhì)上是計(jì)算瞬時(shí)峰值功耗，分兩種方法，vectorless或vector-driven。Vectorless估算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的activity，意義不大，這里就略過(guò)了。Vector-driven采用VCD標(biāo)注內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的activity。VCD來(lái)自于后仿。VCD中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的activity和實(shí)際電路時(shí)一一對(duì)應(yīng)的。顯然，使用VCD的dynamic power可以算得很準(zhǔn)。通常VCD文件可以記錄整個(gè)電路完整的運(yùn)行過(guò)程。但對(duì)于峰值功耗，通常只需要取VCD中的一小段時(shí)間。這里需要注意的是，指定的這一小段時(shí)間必須對(duì)應(yīng)的是activity最集中的時(shí)間段。如果自己是電路的設(shè)計(jì)者，應(yīng)該知道哪一段時(shí)間activity最多。另一個(gè)方法是先取比較長(zhǎng)的一段時(shí)間跑一次dynamic power，在Voltus里調(diào)用Simvision打印出VDD電流，根據(jù)VDD電流波形選擇峰值時(shí)間段。隨后在這個(gè)縮短的時(shí)間段再跑一下dynamic power，生成power database，供后續(xù)的IR drop分析使用。

這里引申出一個(gè)有趣的問(wèn)題。Voltus dynamic power能否像S家的PTPX一樣用來(lái)算電路的功耗呢？當(dāng)然是可以的。功耗基本的算法就是那三類(lèi)，本質(zhì)上是一樣的。Voltus dynamic power里VCD時(shí)間段取得和PTPX功耗分析VCD時(shí)間段一樣，兩者計(jì)算出來(lái)的結(jié)果在2-3%以?xún)?nèi)。個(gè)人認(rèn)為Voltus dynamic power設(shè)置對(duì)了，Voltus static power就沒(méi)必要了，PTPX也可以替代了。這樣做有個(gè)小小的缺陷。通常算average power需要取比較長(zhǎng)的時(shí)間段。這樣跑Voltus dynamic power生成的power database非常龐大。后續(xù)的Voltus IR如果還用這個(gè)龐大的power database，基本就跑不動(dòng)了。解決方法也很簡(jiǎn)單。就像上面提到的，取縮短的時(shí)間段再跑一次dynamic power，生成對(duì)應(yīng)峰值電流的power database，隨后用這個(gè)小很多的power database跑IR。

審核編輯：黃飛