ASIC低功耗設(shè)計詳解及相關(guān)書籍推薦

一、低功耗設(shè)計

隨著手持便攜式設(shè)備及物聯(lián)應(yīng)用的推廣，低功耗設(shè)計的問題變得越來越重要。更低的芯片功耗，意味著手持便攜設(shè)備的使用時間更長、功耗的降低使得芯片的壽命得以提高、散熱問題得到控制，設(shè)備的體積可以做到更小等等之類的各種好處。低功耗設(shè)計是一個整體的概念，意思是它在每個設(shè)計層次上都可以進行功耗的優(yōu)化——算法層次的優(yōu)化、RTL級代碼的優(yōu)化、門級網(wǎng)表的優(yōu)化、版圖布局的優(yōu)化等等。而且，抽象層次越高，功耗優(yōu)化的程度也就越高，例如算法層次的優(yōu)化可以降低70%以上的功耗，而版圖布局的優(yōu)化大概只有10%的優(yōu)化效果。

數(shù)字集成電路功耗優(yōu)化集中體現(xiàn)在兩個方面，一是電路的低功耗優(yōu)化設(shè)計，二是EDA工具的優(yōu)化設(shè)計。而電路的低功耗優(yōu)化設(shè)計前者是重點，即綜合考慮電路性能、面積、功耗來進行功耗的優(yōu)化設(shè)計。

低功耗設(shè)計的方法有很多種，就筆者所了解的信息大致分為如下幾種。

a、多閾值工藝方法：不同的電路模塊采用不同閾值的基本門級電路；

b、電源門控：將某一部分電路的電源通過特殊邏輯門控制，需要時再啟動該電路的電源，達到降低功耗的目的；

c、多電壓域：不同區(qū)域的電路模塊采用不同的供電電壓，比如，頻率高的電路采用高電壓，頻率要求低的電路采用低電壓；

d、門控時鐘：用邏輯門控制模塊時鐘的停止或者開啟，門控時鐘可以通過DC命令的方式直接插入；

e、操作數(shù)分離；

f、門級電路優(yōu)化；

g、版圖優(yōu)化；等等。

對于Asic設(shè)計人員來說，不同的工作崗位，所采取的優(yōu)化辦法并不相同。a-c是系統(tǒng)級設(shè)計人員的優(yōu)化方法，d-f是RTL和門級設(shè)計人員的優(yōu)化方法，g屬于版圖人員能夠掌握的分析方法。這些概念太過于寬泛，如果不是親自參與到某項應(yīng)用該低功耗技術(shù)的項目中去是很難有深刻體會的，對于Asic設(shè)計者來說，無法全面掌握這些低功耗技術(shù)。

在筆者推薦的書中，有基于Power Complier(從屬于DC)，PTPX（Prime Time-PX）這兩種軟件的功耗優(yōu)化流程。學(xué)習(xí)的理論大致需要掌握功耗的種類分為，

1、靜態(tài)功耗-泄露功耗，

2、動態(tài)功耗-開關(guān)功耗，翻轉(zhuǎn)功耗，總功耗等于以上三種功耗的總和。

軟件是通過何種途徑分析這三類功耗的呢？答案依然是工藝庫。在綜合庫.lib文件中，有許多項參數(shù)都是有關(guān)于這三類功耗的，如下所示。

某個單元的泄露功耗：

cell_leakage_power : 330.503175;

leakage_power() {

when :"!A & !B & !CI";

value : 318.529800;

}

leakage_power() {

when :"!A & !B & CI";

value : 375.946200;

}

leakage_power() {

when :"!A & B & !CI";

value : 347.668200;

}

leakage_power() {

when :"!A & B & CI";

value : 309.481200;

}

leakage_power() {

when :"A & !B & !CI";

value : 312.384600;

}

leakage_power() {

when :"A & !B & CI";

value : 352.481400;

}

leakage_power() {

when :"A & B & !CI";

value : 324.199800;

}

leakage_power() {

when :"A & B & CI";

value : 303.334200;

}

某單元(!A & B) | (A & !B)情況下的內(nèi)部功耗，上升沿，下降沿功耗：

internal_power() {

related_pin : "CI";

equal_or_opposite_output : "CO";

when : "(!A & B) | (A & !B)";

rise_power(energy_template_7x3x3) {

index_1 ("0.03, 0.1, 0.4, 0.9, 1.5, 2.2, 3");

index_2 ("0.00035, 0.0385, 0.3115");

index_3 ("0.00035, 0.0385, 0.3115");

values ( \

"0.067236, 0.068853, 0.068513", "0.071757, 0.070275, 0.070806", "0.080913, 0.079223, 0.078953", \

"0.067380, 0.068914, 0.068524", "0.071910, 0.070393, 0.070843", "0.081073, 0.079343, 0.079093", \

"0.072993, 0.073749, 0.073240", "0.077639, 0.075163, 0.075587", "0.086943, 0.084212, 0.084302", \

"0.088698, 0.085346, 0.084064", "0.090733, 0.087112, 0.086360", "0.100492, 0.096672, 0.095842", \

"0.104666, 0.099420, 0.097897", "0.105970, 0.100660, 0.100035", "0.115422, 0.109742, 0.108342", \

"0.123420, 0.117165, 0.114921", "0.125151, 0.118985, 0.116790", "0.133612, 0.127112, 0.125132", \

"0.145380, 0.138042, 0.134921", "0.147057, 0.139940, 0.136555", "0.155522, 0.148222, 0.145332");

}

fall_power(energy_template_7x3x3) {

index_1 ("0.03, 0.1, 0.4, 0.9, 1.5, 2.2, 3");

index_2 ("0.00035, 0.0385, 0.3115");

index_3 ("0.00035, 0.0385, 0.3115");

values ( \

"0.050492, 0.055945, 0.064903", "0.053891, 0.055156, 0.063903", "0.053922, 0.056074, 0.063853", \

"0.050468, 0.055859, 0.064843", "0.053846, 0.055057, 0.063833", "0.053880, 0.056027, 0.063783", \

"0.055162, 0.059927, 0.068953", "0.058462, 0.058987, 0.067812", "0.058500, 0.059918, 0.067832", \

"0.071414, 0.070694, 0.079333", "0.069997, 0.069600, 0.078113", "0.069993, 0.070503, 0.078113", \

"0.087095, 0.085894, 0.093292", "0.085467, 0.084469, 0.091692", "0.085322, 0.084670, 0.091722", \

"0.105947, 0.103948, 0.110322", "0.104070, 0.102399, 0.108522", "0.103914, 0.102131, 0.108572", \

"0.127727, 0.124621, 0.130342", "0.125641, 0.122880, 0.128522", "0.125412, 0.122591, 0.128302");

}

}

信息來源于前文提供的simc工藝庫。

更多有關(guān)于對綜合庫.lib文件內(nèi)容的介紹，請參閱《數(shù)字IC系統(tǒng)設(shè)計》，這里不再贅述。

這再次驗證了之前介紹工藝庫的文章中說的，綜合庫.lib文件真的非常重要，使用軟件對RTL代碼和門級網(wǎng)表做功耗分析都需要這些綜合庫參與，才能對芯片的功耗進行分析，進而優(yōu)化。

二、推薦書籍：

《專用集成電路設(shè)計實用教程》

《Soc設(shè)計方法與實現(xiàn)》

《數(shù)字IC系統(tǒng)設(shè)計》

《ptpx user guide 2016》

（此外建議看一下論壇關(guān)于low power RTL 設(shè)計優(yōu)化的帖子，里面推薦了一些相關(guān)資料。http://bbs.eetop.cn/thread-636337-1-1.html）

三、工具

在綜合的時候就可以對產(chǎn)生的門級網(wǎng)表進行初步優(yōu)化，所使用的工具為DC內(nèi)置程序Power Complier，通過相關(guān)命令啟用功耗優(yōu)化功能。該工具的使用示例請參閱《專用集成電路設(shè)計實用教程》。

門級網(wǎng)表優(yōu)化工具，PrimeTime PX。該工具的使用示例請參閱《ptpx user guide 2016》

四、示例

由于目前并未使用到低功耗的相關(guān)技術(shù)，因此對于基于Power Complier(從屬于DC)，PTPX（Prime Time-PX）軟件的低功耗分析流程，了解的不是很多，待以后再把這個坑填上。