EDA，如何突破功率的瓶頸

要點(diǎn)：

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

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

3，對(duì)任何問(wèn)題而言，處理器通常是能效最低的方法，但因?yàn)樗鼈兙邆淞斯δ芏嘀匦?，一般可以用最小面積獲得實(shí)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(guò)去十年來(lái)，功率已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮，并在工程師設(shè)計(jì)與驗(yàn)證系統(tǒng)方面帶來(lái)了一些巨大的挑戰(zhàn)。物理學(xué)不再提供免費(fèi)便車(chē)。

功率是能量被消耗的速率，這在十年前還不是熱門(mén)，但今天已是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考量。系統(tǒng)的能耗會(huì)帶來(lái)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(dòng)計(jì)算的發(fā)展最先推動(dòng)了對(duì)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(gè)范圍，可能在業(yè)界帶來(lái)一些最大的結(jié)構(gòu)性變化。對(duì)于服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)、云計(jì)算、汽車(chē)、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(gè)關(guān)鍵性問(wèn)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(diǎn)尺寸越來(lái)越小，電壓降低，從而造成功率的相應(yīng)下降。通常，即使開(kāi)發(fā)人員增加了更多功能，功率預(yù)算也會(huì)保持不變。在更小尺度下，電壓的縮放更加困難，無(wú)法維持。當(dāng)電壓接近于閾值電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)間就會(huì)增加。為補(bǔ)償這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員會(huì)降低閾值電壓，但這樣做顯著增加了泄漏電流和開(kāi)關(guān)電流。

設(shè)計(jì)流程中的每個(gè)階段都對(duì)功耗有影響，從軟件架構(gòu)到器件物理。雖然每個(gè)小組都可以做局部的功耗優(yōu)化工作，但沒(méi)有一個(gè)團(tuán)隊(duì)可以單獨(dú)創(chuàng)建出一個(gè)低功耗設(shè)計(jì)。反之，任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)都可能摧毀低功耗的努力。這種狀況就產(chǎn)生了一種對(duì)協(xié)同與交叉學(xué)科工具的新需求。功率問(wèn)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(jì)、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(jì)人員要采用改進(jìn)型方法，而不是從頭開(kāi)始的新方法。

物理原理的角色

一只芯片消耗的功率是開(kāi)關(guān)（或動(dòng)態(tài)）功率和無(wú)源（或泄漏）功率之和。功率的動(dòng)態(tài)成分源于設(shè)計(jì)的容性負(fù)載。當(dāng)某個(gè)線網(wǎng)從0轉(zhuǎn)換到1時(shí)，這個(gè)成分通過(guò)一個(gè)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(gè)能量的一半存儲(chǔ)在電容中；另一半則耗散在晶體管上。對(duì)于從1至0的轉(zhuǎn)換，不會(huì)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(diǎn)以頻率F變化，則動(dòng)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(dòng)態(tài)功率，但它們要小得多。

由于電壓是平方項(xiàng)，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?yàn)樵黾与妷簳?huì)增加?xùn)艠O的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(diǎn)、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(gè)問(wèn)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(jí)絕緣體，從而降低了這個(gè)電流。

晶體管有一個(gè)柵源閾值電壓，低于這個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)器件的亞閾值電流就會(huì)呈指數(shù)倍下降。當(dāng)降低電源電壓以減少動(dòng)態(tài)功耗時(shí)，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(huì)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(gè)反偏構(gòu)造，會(huì)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(chǎng)效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生柵極導(dǎo)致的漏極泄漏，這通常要用制造技術(shù)來(lái)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(chǎng)有關(guān)。對(duì)這個(gè)效應(yīng)的控制主要也是靠制造技術(shù)。

設(shè)計(jì)人員要在動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗之間做一個(gè)折中。降低電壓會(huì)減小動(dòng)態(tài)功耗，但增加了靜態(tài)功耗。我們來(lái)看一只手機(jī)內(nèi)的典型芯片。當(dāng)器件工作時(shí)，泄漏要占所消耗功率的大約10%；其它90%是動(dòng)態(tài)功耗。但當(dāng)手機(jī)處于待機(jī)模式時(shí)（可能占到總時(shí)間的90%），芯片中的動(dòng)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(dòng)態(tài)功耗與待機(jī)功耗都減少了35%，與采用45nm低功耗的系統(tǒng)單芯片設(shè)計(jì)相比，28nm工藝在相同頻率下的動(dòng)態(tài)功耗降低了60%.臺(tái)積電28nm高性能低功耗工藝的待機(jī)功耗要比其40nm低功耗工藝低40%以上。同時(shí)GlobalFoundries公司為其28nm結(jié)點(diǎn)提供了三種功率水平（圖1）。

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

摩爾定律繼續(xù)有效，芯片在每個(gè)器件中封裝了更多功能。據(jù)Open-Silicon的營(yíng)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(jì)出下一代器件，雖然總功耗會(huì)增加，但單只器件的功耗是下降的。時(shí)鐘頻率是另外一個(gè)緩慢上漲的變量，但在很多市場(chǎng)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(jì)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(jì)包含了估算與優(yōu)化。估算可以對(duì)多個(gè)可能的實(shí)現(xiàn)選擇做出比較。另外，優(yōu)化可以自動(dòng)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(gè)完整設(shè)計(jì)和一組正確的矢量時(shí)，功率估算才是一種精確的科學(xué)。在未完成設(shè)計(jì)以前，根據(jù)定義，所有事物都是一種即將在設(shè)計(jì)中發(fā)生的估計(jì)。在設(shè)計(jì)早期的功率預(yù)算階段，應(yīng)著眼于大的和相對(duì)的變化，而不是絕對(duì)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(jí)）到硅片之間有20%的偏差，而從門(mén)到硅片有10%的偏差。

如果某個(gè)工具表示，一種可能的方案會(huì)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(jí)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(yùn)行多次仿真，來(lái)獲得有關(guān)設(shè)計(jì)活動(dòng)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(jī)數(shù)據(jù)，一種是用更多的典型語(yǔ)音數(shù)據(jù)。圖2給出了一個(gè)有限脈沖響應(yīng)濾波器中幾個(gè)寄存器的轉(zhuǎn)換動(dòng)作（參考文獻(xiàn)1）。對(duì)于一個(gè)不會(huì)破壞數(shù)據(jù)相關(guān)性的架構(gòu)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)電容的次數(shù)要比隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)少80%.由于這些臨時(shí)的相關(guān)性，運(yùn)行順序可能造成切換動(dòng)作的巨大差異。

圖2，對(duì)于一個(gè)不會(huì)破壞數(shù)據(jù)相關(guān)性的架構(gòu)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)電容的次數(shù)要比隨機(jī)輸入數(shù)據(jù)少80%.由于這些臨時(shí)的相關(guān)性，運(yùn)行順序可能造成切換動(dòng)作的巨大差異。

不過(guò)，有些公司認(rèn)為可以用統(tǒng)計(jì)方法獲得近似值，即采用來(lái)自計(jì)數(shù)器或其它可識(shí)別邏輯片的預(yù)期活動(dòng)。現(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(shí)鐘門(mén)控是盡量減少動(dòng)態(tài)功耗的常見(jiàn)技術(shù)。切斷某個(gè)電路的時(shí)鐘，可阻止一個(gè)設(shè)計(jì)中時(shí)鐘或寄存器的切換動(dòng)作。另一種技術(shù)是采用電壓島，它降低了設(shè)計(jì)的工作電壓，從而使開(kāi)關(guān)元件的動(dòng)態(tài)功耗前后比值為電壓前后比值的平方。設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)電壓/頻率縮放）是迄今最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)功率控制技術(shù)。這種方法會(huì)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(dòng)態(tài)功耗。設(shè)計(jì)者可通過(guò)軟硬件方案的組合，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)。

片芯上的穩(wěn)壓器滿足了對(duì)多種動(dòng)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(dòng)態(tài)狀態(tài)下需要的電壓與電流。但是，設(shè)計(jì)者越來(lái)越多地采用片芯上的穩(wěn)壓器，因?yàn)殡妷河虻臄?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(hào)互連，它是低功耗設(shè)計(jì)中一種新興的趨勢(shì)。Apache的Shanmugavel認(rèn)為，制造商一般是將處理器和存儲(chǔ)器堆疊在一個(gè)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(hào)互連，從而降低了I/O的動(dòng)態(tài)功耗。隨著3D IC的成本開(kāi)始下降，以及設(shè)計(jì)者對(duì)于熱效應(yīng)有了更多的理解，整個(gè)行業(yè)都將出現(xiàn)一個(gè)向3D IC的遷移。

要盡量減少靜態(tài)功耗，設(shè)計(jì)者可以采用電源門(mén)控方法，為一個(gè)待機(jī)狀態(tài)的設(shè)備節(jié)省最多的泄漏功耗。關(guān)閉功能單位的時(shí)鐘可降低動(dòng)態(tài)功耗，但單元仍然有泄漏功耗。設(shè)計(jì)者必須在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以前，了解有關(guān)電源門(mén)控的幾個(gè)折中問(wèn)題。

減少泄漏功耗的一種最古老技術(shù)是用高閾值電壓門(mén)代換標(biāo)稱閾值電壓的門(mén)。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(jià)是較大的延遲。設(shè)計(jì)者必須做一個(gè)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(mén)中基材結(jié)點(diǎn)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(jī)模式期間增加一個(gè)單元或整個(gè)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(guò)自己的一個(gè)“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(guò)自己的一個(gè)“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?yàn)檎{(diào)查會(huì)收到多個(gè)答案。

除RTL優(yōu)化以外，設(shè)計(jì)者還在開(kāi)發(fā)一些能在系統(tǒng)級(jí)上做估算和架構(gòu)研究的工具。功率是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題，有些設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)，不能用今天做芯片組裝和驗(yàn)證的自下而上方法來(lái)看待功率問(wèn)題。過(guò)去，設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)芯片是為了獲得最大的靈活性，以現(xiàn)在設(shè)計(jì)芯片的成本，這種靈活性仍是一個(gè)重要的考慮方面。但和其它所有方面一樣，靈活性也會(huì)帶來(lái)成本。對(duì)任何問(wèn)題而言，處理器通常是能效最低的方法，但因?yàn)樗鼈兙邆淞斯δ芏嘀匦?，一般可以用最小面積獲得實(shí)現(xiàn)。

驗(yàn)證

功率還增加了另一層復(fù)雜性，這就是設(shè)計(jì)者必須做驗(yàn)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(chǎng)上推出這些工具。功率會(huì)在設(shè)計(jì)中增加一些新的器件，如隔離邏輯、功率開(kāi)關(guān)、電平轉(zhuǎn)換器以及保持單元等。

不過(guò)，Synopsys小功率驗(yàn)證營(yíng)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(yàn)證。缺少這種驗(yàn)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(méi)有性價(jià)比，且不徹底，從而不能對(duì)功率優(yōu)化做完全的驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jì)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(duì)順序變換的驗(yàn)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(lái)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(jì)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(shí)現(xiàn)技術(shù)。

電源分配網(wǎng)絡(luò)

Silicon Frontline Technology公司營(yíng)銷副總裁Dermott Lynch認(rèn)為，功率器件的典型運(yùn)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(bǔ)充說(shuō)，比較積極的功率模式轉(zhuǎn)換配合精細(xì)的電源域，會(huì)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(lái)更大的di/dt電源噪聲，尤其是那些模擬電路。

但Shanmugavel警告說(shuō)，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(gè)全局時(shí)鐘轉(zhuǎn)換和一個(gè)功能單元上電去完成某項(xiàng)工作時(shí)，就出現(xiàn)了一個(gè)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(lái)了一個(gè)巨大的負(fù)荷，必須驗(yàn)證在這些情況下，網(wǎng)絡(luò)上的瞬態(tài)電壓噪聲。