芯片功耗是如何仿真計算的（PTPX為例）

過往的文章我們談了好多優(yōu)化功耗的手段，顯然，功耗不能等流片以后直接測試芯片功耗。在EDA階段我們就要有辦法對功耗進行一個仿真。

這篇文章我們以PTPX為例，講講芯片在設計階段是如何仿真功耗的。

1 常見的標準單元庫功耗模型

在講PTPX之前，先簡單講講標準單元庫的模型。

如上圖，實際上電路都可以建模成一個drvier, 一個receiver, 以及中間的傳輸路徑。

實際上，為了描述上面這個系統(tǒng)，功耗仿真中標準單元庫有兩種功耗模型：

·NLDM (Non Linear Delay Model)

·CCS(Composite Current Source)

1）NLDM模型

這種模型driver model認為是一個內阻恒定的電壓源，receiver model是認為是一個電容，顯然，輸出電壓是時間的線性函數。

我們從輸出曲線上也能看到，這種模型其實是比較粗暴地，只要三個點就能確定。在65nm以下很不精確，所以我們有了CCS模型。

2）CCS模型

這種模型是Synopsys提出的。提高了精確度。driver model變成了一個非線性的符合電流源，電流隨電壓和時間變化。receiver model變成了兩個電容的并聯。

得到的大致曲線如下圖。

實際上，PTPX兩種模型都支持，一般先進工藝在標準單元庫中要提供CCS模型的曲線。

2 功耗是如何計算的

對功耗模型有了一個大致了解以后，我們繼續(xù)搞明白PTPX計算功耗的原理。PTPX的功耗是分部計算的。

功耗主要是有l(wèi)eakage power和dynamic power兩部分組成的。

1）Leakage power

我們先說這個，leakage power。leakge power顧名思義，到處漏掉的電流。

主要分析起來，有兩種

·intrinsic leakage power, 源極和漏極之間的漏電流。上圖中，電流I1,I2,I3都算。

·gate leakage power，柵極和源漏之間的漏電流。上圖I4算gate leakage power。評論區(qū)有專業(yè)人士說這個很小，看了一下ptpx breakdown的值，確實不大。應當可以忽略。

這些靜態(tài)功耗的參數，都要寫在lib文件中，供PTPX調用，直接擬合曲線即可。

2）Dynamic Power

動態(tài)功耗，主要也是兩種：

Switching power。如上圖藍線，這個也容易理解，我們要驅動電路，這個CL電容是要充放電的。這個充放電的功耗就是switching power。

上面的公式中C是負載電容，V是電壓，f是翻轉頻率。應當好理解。有時候f也會被寫成a*f, 翻轉率乘以頻率。

Internal power。如上圖綠線，這個表現在零一切換的時候兩端晶體管同時導通時，有個短路電流。我們稱之為internal power.

顯然，直接等于短路電流乘以電壓。

同樣，lib會直接提供必要的參數，供ptpx來計算動態(tài)功耗。

3）功耗計算小結

我們看上面這張反向器的圖。上面四種功耗都有

·Leakage Power

·intrinsic leakage power, 圖中Ilk電流造成的功耗。

·gating leakge power, 圖中Igl電流造成的功耗。

·Dynamic power

·switching power, 圖中Isw造成的功耗。用于充放電容。

·internel power. 圖中Isc造成的功耗。其實就是短路電流造成的功耗。

至此，你應該能看懂PTPX功耗報告中各部分功耗是怎么來得。

3 PTPX的工作流程

知道了PTPX計算功耗的類型，接下來我們大致講講，PTPX的處理流程。

總結起來主要8個步驟。

·step0: 使能功耗仿真，就是個開關，總要打開的。

·step1: 選擇仿真模式。PTPX有兩種功耗仿真模式。一種是算平均功耗（averaged）, 另一種是根據波形詳細算（time_based）, 這兩種模式具體怎么算我們后面詳細講。

·step2: 讀入設計數據和庫文件。其實主要是兩部分，網表文件(verilog,.v)和庫文件（synopsys database,.db, 提供NLPM或者CCS模型）

·step3: 設置仿真條件。主要是仿真溫度和電壓。PTPX根據溫度和電壓，根據db文件中提供的參數來計算功耗。

·step4: 指定翻轉率數據。這個地方，average模式和time_based模式提供的文件有區(qū)別。后面我們詳細講這兩種模式下怎么提供文件。

·step5: 這一步提供一些額外仿真設置，按需設置，沒什么特殊的。

·step6: update power。真正開始跑仿真。

·step7: report_power。將報告報出來。

4 總結

這篇文章講了功耗仿真的第一部分，包括了功耗模型、功耗計算方法、ptpx的基本流程。

審核編輯：黃飛