功率：EDA設(shè)計中的巨大挑戰(zhàn)

要點:

1,雖然每個小組可以優(yōu)化局部功耗，但單個團(tuán)隊不可能創(chuàng)建出一個低功耗設(shè)計。反之，任何一個小組都可能摧毀這種努力。

2,功率估計是一種精確的科學(xué)。但是，只有當(dāng)你擁有了一個完整設(shè)計和一組正確的矢量后，這種概念才為真。

3,對任何問題而言，處理器通常是能效最低的方法，但因為它們具備了功能多重性，一般可以用最小面積獲得實現(xiàn)。

4,電源分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠在不損及電壓完整性的情況下，維持負(fù)載。

過去十年來，功率已經(jīng)成為一個關(guān)鍵的設(shè)計考慮，并在工程師設(shè)計與驗證系統(tǒng)方面帶來了一些巨大的挑戰(zhàn)。物理學(xué)不再提供免費便車。

功率是能量被消耗的速率，這在十年前還不是熱門，但今天已是一個重要的設(shè)計考量。系統(tǒng)的能耗會帶來熱量、耗盡電池、增加電能分配網(wǎng)絡(luò)的壓力，并且加大成本。移動計算的發(fā)展最先推動了對降低能耗的期望，但能耗的效應(yīng)現(xiàn)在已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這個范圍，可能在業(yè)界帶來一些最大的結(jié)構(gòu)性變化。對于服務(wù)器農(nóng)場、云計算、汽車、芯片，以及依賴于能源獲取的泛在式傳感器網(wǎng)絡(luò)，這都是一個關(guān)鍵性問題

突然改變的原因是，物理學(xué)已把工藝技術(shù)帶到了90nm以下尺度。但是，隨著結(jié)點尺寸越來越小，電壓降低，從而造成功率的相應(yīng)下降。通常，即使開發(fā)人員增加了更多功能，功率預(yù)算也會保持不變。在更小尺度下，電壓的縮放更加困難，無法維持。當(dāng)電壓接近于閾值電壓時，開關(guān)時間就會增加。為補償這一問題，設(shè)計人員會降低閾值電壓，但這樣做顯著增加了泄漏電流和開關(guān)電流。

設(shè)計流程中的每個階段都對功耗有影響，從軟件架構(gòu)到器件物理。雖然每個小組都可以做局部的功耗優(yōu)化工作，但沒有一個團(tuán)隊可以單獨創(chuàng)建出一個低功耗設(shè)計。反之，任何一個團(tuán)隊都可能摧毀低功耗的努力。這種狀況就產(chǎn)生了一種對協(xié)同與交叉學(xué)科工具的新需求。功率問題不再止于芯片。它們遍及互連結(jié)構(gòu)、電路板與系統(tǒng)設(shè)計、電源控制器等諸方面。當(dāng)前的EDA工具并非按功率概念而建立，這意味著設(shè)計人員要采用改進(jìn)型方法，而不是從頭開始的新方法。

物理原理的角色

一只芯片消耗的功率是開關(guān)(或動態(tài))功率和無源(或泄漏)功率之和。功率的動態(tài)成分源于設(shè)計的容性負(fù)載。當(dāng)某個線網(wǎng)從0轉(zhuǎn)換到1時，這個成分通過一個PMOS晶體管充電。從電源獲得的能量等于容性負(fù)載與電壓平方的乘積。系統(tǒng)將這個能量的一半存儲在電容中；另一半則耗散在晶體管上。對于從1至0的轉(zhuǎn)換，不會從電源獲得更多能量，但電荷要耗散在NMOS晶體管上。假設(shè)結(jié)點以頻率F變化，則動態(tài)功率為FCLVDD2，其中，CL是容性負(fù)載，VDD是電壓。雖然也存在其它形式的動態(tài)功率，但它們要小得多。

由于電壓是平方項，因此降低電壓有相當(dāng)顯著的效果。不幸的是，性能也與電壓相關(guān)，因為增加電壓會增加?xùn)艠O的驅(qū)動VGS-VT，其中VGS是柵源電壓，VT是閾值電壓。使用較陳舊的技術(shù)時，泄漏功率并不明顯。但隨著器件尺度的減小，很多區(qū)域中的泄漏變得更加顯著，包括柵極氧化物隧穿、亞閾值電壓、反偏結(jié)點、柵極導(dǎo)致的漏極泄漏，以及因熱載流子注入而產(chǎn)生的柵極電流等。

二氧化硅是常用的絕緣材料。在低厚度水平下， 電子可以隧穿它。這種關(guān)系是指數(shù)型的，意味著厚度減半，泄漏增至四倍，在晶體管尺度降到130nm以下之前，這還不是一個問題。用高k電介質(zhì)代替二氧化硅可以提供相近的器件性能，獲得更厚的柵級絕緣體，從而降低了這個電流。

晶體管有一個柵源閾值電壓，低于這個電壓時，通過器件的亞閾值電流就會呈指數(shù)倍下降。當(dāng)降低電源電壓以減少動態(tài)功耗時，閾值電壓也減小，從而使柵極電壓擺幅低于器件關(guān)斷的閾值。亞閾值傳導(dǎo)會隨柵極電壓呈指數(shù)式變化。

在擴(kuò)散區(qū)和阱之間，或在阱與基材之間的一個反偏構(gòu)造，會產(chǎn)生小的反偏結(jié)泄漏。在MOS晶體管漏極結(jié)上的高電場效應(yīng)會產(chǎn)生柵極導(dǎo)致的漏極泄漏，這通常要用制造技術(shù)來處理。柵極電流泄漏的原因是短溝道器件的閾值電壓漂移，并與器件中的高電場有關(guān)。對這個效應(yīng)的控制主要也是靠制造技術(shù)。

設(shè)計人員要在動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗之間做一個折中。降低電壓會減小動態(tài)功耗，但增加了靜態(tài)功耗。我們來看一只手機內(nèi)的典型芯片。當(dāng)器件工作時，泄漏要占所消耗功率的大約10%；其它90%是動態(tài)功耗。但當(dāng)手機處于待機模式時(可能占到總時間的90%)，芯片中的動態(tài)功耗就很少。因此，盡量減小兩種功耗有著相同的重要性。

各種器件的功耗方面在持續(xù)地改進(jìn)。例如，在相同頻率下，三星的28nm低功耗工藝比45nm低功耗工藝的動態(tài)功耗與待機功耗都減少了35%，與采用45nm低功耗的系統(tǒng)單芯片設(shè)計相比，28nm工藝在相同頻率下的動態(tài)功耗降低了60%。臺積電28nm高性能低功耗工藝的待機功耗要比其40nm低功耗工藝低40%以上。同時GlobalFoundries公司為其28nm結(jié)點提供了三種功率水平(圖1)。

圖1，臺積電的28-HPL工藝待機功耗較40-LP工藝低40%以上。而Global Foundries則為其28nm結(jié)點提供了三種功率水平

摩爾定律繼續(xù)有效，芯片在每個器件中封裝了更多功能。據(jù)Open-Silicon的營銷總監(jiān)Colin Baldwin稱，客戶可以用近似的單位成本和兩倍的性能，設(shè)計出下一代器件，雖然總功耗會增加，但單只器件的功耗是下降的。時鐘頻率是另外一個緩慢上漲的變量，但在很多市場上增速都慢于工藝。Open-Silicon發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)用戶試圖在略微增加總體功耗的情況下，集成更多的功能。因此，要維持相同的總功耗，就要看設(shè)計流程的其它部分中可以節(jié)省的能耗。

優(yōu)化與比較

設(shè)計包含了估算與優(yōu)化。估算可以對多個可能的實現(xiàn)選擇做出比較。另外，優(yōu)化可以自動完成，或者可以在各種抽象水平上，用工具輔助完成。Apache/Ansys應(yīng)用工程總監(jiān)Arvind Shanmugavel認(rèn)為，只有當(dāng)擁有了一個完整設(shè)計和一組正確的矢量時，功率估算才是一種精確的科學(xué)。在未完成設(shè)計以前，根據(jù)定義，所有事物都是一種即將在設(shè)計中發(fā)生的估計。在設(shè)計早期的功率預(yù)算階段，應(yīng)著眼于大的和相對的變化，而不是絕對的值。Atrenta公司的工程總監(jiān)Venki Venkatesh認(rèn)為，可以預(yù)期在RTL(寄存器傳輸級)到硅片之間有20%的偏差，而從門到硅片有10%的偏

如果某個工具表示， 一種可能的方案會較另一種方案消耗更少的總能量，則這種概述一定是正確的；否則，工具就可能促使選擇了次級的方案。與面積和性能不同，功率是矢量相關(guān)的，因此可能需要運行多次仿真，來獲得有關(guān)設(shè)計活動的一種典型性樣本。例如，考慮兩種選擇，一種是為音頻處理器加隨機數(shù)據(jù)，一種是用更多的典型語音數(shù)據(jù)。圖2給出了一個有限脈沖響應(yīng)濾波器中幾個寄存器的轉(zhuǎn)換動作(參考文獻(xiàn)1)。對于一個不會破壞數(shù)據(jù)相關(guān)性的架構(gòu)，語音數(shù)據(jù)開關(guān)電容的次數(shù)要比隨機輸入數(shù)據(jù)少80%。由于這些臨時的相關(guān)性，運行順序可能造成切換動作的巨大差異。

圖2，對于一個不會破壞數(shù)據(jù)相關(guān)性的架構(gòu)，語音數(shù)據(jù)開關(guān)電容的次數(shù)要比隨機輸入數(shù)據(jù)少80%。由于這些臨時的相關(guān)性，運行順序可能造成切換動作的巨大差異。

不過， 有些公司認(rèn)為可以用統(tǒng)計方法獲得近似值， 即采用來自計數(shù)器或其它可識別邏輯片的預(yù)期活動?，F(xiàn)在， 功耗優(yōu)化有很多種方式，大多數(shù)為RTL或以下。Shanmugavel稱，時鐘門控是盡量減少動態(tài)功耗的常見技術(shù)。切斷某個電路的時鐘，可阻止一個設(shè)計中時鐘或寄存器的切換動作。另一種技術(shù)是采用電壓島，它降低了設(shè)計的工作電壓，從而使開關(guān)元件的動態(tài)功耗前后比值為電壓前后比值的平方。設(shè)計者將電壓島用于芯片的某些區(qū)域，這些區(qū)域的性能與速度不是關(guān)鍵，這樣可以節(jié)省功耗。

DVFS(動態(tài)電壓/頻率縮放)是迄今最為復(fù)雜的動態(tài)功率控制技術(shù)。這種方法會根據(jù)負(fù)載的需求，改變有效工作電壓和頻率。在高負(fù)載情況下，電壓與頻率處于額定狀態(tài)，芯片或設(shè)備為滿負(fù)荷工作。在低負(fù)載情況下，電壓或頻率縮減，以低速工作，從而獲得了較低的動態(tài)功耗。設(shè)計者可通過軟硬件方案的組合，實現(xiàn)這種技術(shù)。

片芯上的穩(wěn)壓器滿足了對多種動態(tài)與靜態(tài)功率的需求。各IC通常有片外的穩(wěn)壓模塊，可提供動態(tài)狀態(tài)下需要的電壓與電流。但是，設(shè)計者越來越多地采用片芯上的穩(wěn)壓器，因為電壓域的數(shù)量在增加，這些電壓域更快響應(yīng)需求的要求也在增加。

堆疊IC間的相互通信盡量減少了信號互連，它是低功耗設(shè)計中一種新興的趨勢。Apache的Shanmugavel認(rèn)為，制造商一般是將處理器和存儲器堆疊在一個硅插入層上， 用TSV(硅通孔)做連接。這些插入層提供了片芯之間的低電容信號互連，從而降低了I/O的動態(tài)功耗。隨著3D IC的成本開始下降，以及設(shè)計者對于熱效應(yīng)有了更多的理解，整個行業(yè)都將出現(xiàn)一個向3D IC的遷移。

要盡量減少靜態(tài)功耗， 設(shè)計者可以采用電源門控方法，為一個待機狀態(tài)的設(shè)備節(jié)省最多的泄漏功。關(guān)閉功能單位的時鐘可降低動態(tài)功耗，但單元仍然有泄漏功耗。設(shè)計者必須在設(shè)計實現(xiàn)以前，了解有關(guān)電源門控的幾個折中問題。

減少泄漏功耗的一種最古老技術(shù)是用高閾值電壓門代換標(biāo)稱閾值電壓的門。在CMOS中，亞閾值泄漏與閾值電壓成反比。較高閾值電壓器件的泄漏包絡(luò)低于較小閾值電壓的器件，但付出的代價是較大的延遲。設(shè)計者必須做一個仔細(xì)的權(quán)衡分析，才能用此技術(shù)獲得最佳的減少泄漏效果。

另外一種降低靜態(tài)功耗的方法是有源反偏，它是增加CMOS門中基材結(jié)點的偏置電壓，從而降低泄漏電流。這種偏置技術(shù)根本上是在待機模式期間增加一個單元或整個芯片的閾值電壓，從而減少泄漏功耗。為了感受一下這些技術(shù)的采納率，Synopsys通過自己的一個“全球用戶調(diào)查”，收集了用戶數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3，為了感受一下這些技術(shù)的采納率，Synopsys通過自己的一個“全球用戶調(diào)查”，收集了用戶數(shù)據(jù)。例如，最左上方一欄表示10%的受訪者擁有數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)，作為采用反偏置或阱極偏置的主要應(yīng)用。注意百分比大于100，因為調(diào)查會收到多個答案。

除RTL優(yōu)化以外，設(shè)計者還在開發(fā)一些能在系統(tǒng)級上做估算和架構(gòu)研究的工具。功率是一個系統(tǒng)級的問題，有些設(shè)計者發(fā)現(xiàn)，不能用今天做芯片組裝和驗證的自下而上方法來看待功率問題。過去，設(shè)計者設(shè)計芯片是為了獲得最大的靈活性，以現(xiàn)在設(shè)計芯片的成本，這種靈活性仍是一個重要的考慮方面。但和其它所有方面一樣，靈活性也會帶來成本。對任何問題而言，處理器通常是能效最低的方法，但因為它們具備了功能多重性，一般可以用最小面積獲得實現(xiàn)。

驗證

功率還增加了另一層復(fù)雜性，這就是設(shè)計者必須做驗證。它需要額外的工具支持，制造商們現(xiàn)在正匆忙地在市場上推出這些工具。功率會在設(shè)計中增加一些新的器件，如隔離邏輯、功率開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換器以及保持單元等。

不過，Synopsys 小功率驗證營銷總監(jiān)Krishna Balachandran認(rèn)為， 功率優(yōu)化也可能牽涉到順序RTL轉(zhuǎn)換，必須用源RTL作驗證。缺少這種驗證可能導(dǎo)致芯片上的系統(tǒng)不工作，或泄漏高于預(yù)期值。仿真方法可能太慢，沒有性價比，且不徹底，從而不能對功率優(yōu)化做完全的驗證覆蓋。傳統(tǒng)形式等效工具的目標(biāo)通常是組合式變換的驗證，不適合于功率優(yōu)化所需要的那種改變。大多數(shù)商用的形式驗證工具還受制于容量和性能的限制，必須克服這些限制，才能處理低功耗設(shè)計的復(fù)雜電源架構(gòu)，以及數(shù)百種電源域。為滿足這些新的要求，必須發(fā)展一類具有大容量和高性能的全新形式等效工具，目標(biāo)是對順序變換的驗證。

Eve - USA 的總經(jīng)理LauroRizzatti表示，功率優(yōu)化也給EDA供應(yīng)商帶來了挑戰(zhàn)。很多低功耗技術(shù)通常都不能取得與RTL仿真或模擬的一致，它抽象了電壓的任何概念。設(shè)計者必須改造這些數(shù)字工具，使其支持功率目標(biāo)以及低功耗優(yōu)化實現(xiàn)技術(shù)。

電源分配網(wǎng)絡(luò)

Silicon Frontline Technology公司營銷副總裁Dermott Lynch認(rèn)為， 功率器件的典型運行效率在70%~90%，從而有10%~30%的總系統(tǒng)損耗。而Rambus公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部副總裁兼首席技術(shù)官Ely Tsern補充說，比較積極的功率模式轉(zhuǎn)換配合精細(xì)的電源域，會使局部供電電流有更快的轉(zhuǎn)換，從而給敏感的局部電路帶來更大的di/dt電源噪聲，尤其是那些模擬電路。

但Shanmugavel警告說，在任何情況下，電源分配網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)能夠在不損及電壓完整性情況下，維持負(fù)載的供電。例如，當(dāng)一個全局時鐘轉(zhuǎn)換和一個功能單元上電去完成某項工作時，就出現(xiàn)了一個瞬態(tài)電流的需求。這種瞬態(tài)電流可能是額定電流的3倍~5倍，具體要看功能模塊情況，這給電源分配網(wǎng)絡(luò)帶來了一個巨大的負(fù)荷，必須驗證在這些情況下，網(wǎng)絡(luò)上的瞬態(tài)電壓噪聲。