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Power estimation and optimization based on ASIC design

尹远，黄嵩人
（湘潭大学物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105）

       摘要：随着芯片设计的复杂度和规模越来越大，现如今ASIC芯片的功耗要求也越来越高。低功耗设计作为一个重要目标，需要设计者格外重视^[1] 。在本文中，首先讨论了功耗的组成及来源，阐述了在设计初期的功耗评估，以及功耗优化的思路^[1] 。接着描述了功耗优化的具体操作技巧，其中详细描述了时钟门控的原理、实现流程等，最后对功耗优化的效果进行分析和比较。
      关键词：低功耗设计；功耗评估；功耗优化；时钟门控

　　0 引言

       随着便携式导向的消费类电子产品的需求不断增大，便携式电子设备的低功耗需求、基于可靠性与性能影响的考虑、芯片设计及制造的成本影响等，都体现了低功耗设计的需求和必要性。因而对功耗要求也越来越高，低功耗设计已逐渐成为衡量电子产品是否成功的重要指标，使得芯片设计者也越来越重视对功耗的优化设计。近来工艺技术的快速提高，面积、速率、温度等性能要求不断提升，这些改变对芯片的功耗优化设计有着很重要的影响。尤其对于追求低功耗、微型化、高可靠性等目标的ASIC芯片来说，更是面临着不小的挑战。
　　本文将介绍芯片功耗的来源和构成，及其基本概念。然后介绍芯片的功耗的评估计算方法和途径，提出在ASIC芯片设计中进行功耗优化的思路，同时结合EDA工具辅助实现，介绍对芯片设计初期阶段的核心功耗进行优化的具体操作流程，最后进行功耗优化后的分析。
　　1 功耗的构成

　　功耗的构成按照类型分类，主要由动态功耗和静态功耗两部分构成，通常动态功耗占芯片整体功耗的绝大部分 [2] 。
　　（1）动态功耗，是电路在工作时所消耗的能量。
　　对于CMOS电路，动态功耗又分为开关功耗和短路功耗，即P_Dynamic =P_switch +P_internal^[3] 。开关功耗也称为翻转
功耗（Switching Power），由电路翻转时对负载电容充放电引起，即

　　短路功耗也叫内部功耗（Internal Power），在输入翻转时PMOS和NMOS同时导通的瞬间电流形成，即P_internal =V_DD ·T_r·Q_x^[4]。

　　（2）静态功耗，是在电路没有翻转只供电的情形下，晶体管中漏电流造成的功耗，所以也叫漏电功耗（Leakage Power），公式为P_leakage=V_DD·I_leakage。静态功耗的来源有几种方式，很大比例是由源极和漏极之间的亚阈值漏电流造成，另外还有栅极漏电流、栅极和衬底之间的隧道漏电流等引起的漏电功耗。
　　上述公式中，V_DD为电路供电电压，C为门电路的等效电容负载，T_r为信号的翻转率，为一次翻转过程中电源到地的电荷量，I_leakage为泄漏电流。

　　2 功耗的评估
　　功耗评估是低功耗设计中的重要内容，在芯片设计的各个阶段，都有相应的方法去评估功耗，提前帮助设计者更科学有效的做好功耗优化。
　　2.1 功耗评估方法
　　在设计前期阶段，对功耗的估算主要可以通过手动计算和工具自动评估。
　　（1）手动计算：通过对功耗来源的分析，根据功耗总公式P=P_switch+P_internal+P_leakage，再结合工艺库中有关功耗的信息，进行理论估计。根据上文中提到的公式，可以由重要的参数进行功耗的具体估算，再根据不同的条件在工艺库中查找对应的信息。工艺库中包含了标准单元的功耗信息，在使用软件或手动对RTL级代码和门级网表做功耗分析时，都需要用到。
　　（2）工具自动评估：在RTL级代码完成后，可以通过Spyglass等软件进行低功耗的代码风格检查，找出可进行优化的逻辑模块。一般常用Synopsys公司的工具（从属于Design Compiler），对RTL级和门级网表进行分析并优化。
　　由于电路级的功耗评估的延时过多，需要大量的时间和资源，所以在工业实践中很少采用。实际的功耗分析常对设计初期的RTL级和门级网表进行，通过工具自动计算出功耗的数值，因是在理想情况且忽略了包括物理设计等因素，所以获得的结果不够精确，但对低功耗设计具有重要的指导作用。物理设计完成后可通过Prime Time PX工具精确计算功耗，不过届时再降低功耗收益就小了。
　　2.2 功耗评估流程

　　在实际大规模的集成电路项目中，通过手工计算功耗是不现实的，一般需要借助EDA工具。以Power Compiler来说，功耗的分析主要两种方法，分别是设置翻转率（无向量分析法）和仿真分析法，都需要获取每个节点的开关行为情况。
　　仿真分析法更方便精确，其关键是获得文件，本质是一种记录开关动态行为的内部交换格式的文件，后用软件读取进行功耗分析。SAIF文件可由VCS等仿真工具对RTL级电路仿真或者门级网表电路仿真后得到，之后便可进行功耗分析[5] 。
　　3 功耗的优化

　　3.1 功耗的优化思路

　　一般而言，可利用自顶向下的方法进行低功耗设计的思考，而且优化的抽象层级越高，越能获得显著的功耗降低效果。首先应从系统与架构级层面思考功耗优化，然后思考在RTL级与门级进行低功耗设计的方法。
　　（1）系统与架构级功耗优化：在设计初期的系统结构层级，可以通过优化算法使得如加法器、乘法器、存储等资源和操作的使用最小化，实现对硬件资源的合理配置与使用。也可以增加休眠待机模式，减少芯片不必要的工作时间。
　　（2）合理选择并行或者流水线技术，可以适当降低功耗。采用并行处理可以降低系统工作频率，从而可降低功耗^[6]。流水线技术（Pipeline）是将组合逻辑系统地拆分，并在各级之间插入寄存器，这样每一步小操作的时间减小，可提高工作频率，又能并行执行提高处理速度，还能以较低的电压来驱动系统。
　　（3）逻辑优化与资源共享：RTL级代码设计时可进行逻辑优化，减少硬件资源消耗。使用良好的编码风格，利用数据编码来降低开关活动，例如用格雷码比用二进制码翻转更少，功耗更低^[6]。简化状态机，降低每次工作的状态机的寄存器数量，为功耗降低提供了可能性。进行逻辑共享，提高如FIFO、查找表、RAM存储资源的利用率。
　　此外在RTL级与门级中，常采用的低功耗设计技术是时钟门控^[7]。

　　3.2 时钟门控

　　3.2.1 时钟门控原理

　　动态功耗是芯片功耗主要部分，是由电路翻转引起负载电容的充放电，所以降低电路中冗余的翻转动作，关闭未工作时的电路的时钟网络使其处于静态，是一种降低功耗的重要思路。时钟门控技术通过控制时钟的翻转，降低电路的翻转率，从而达到降低动态功耗的目的，使用门控时钟技术能有效降低芯片的系统动态功耗，所以在低功耗设计中使用较多，广泛应用于大规模集成电路设计中^[2]。

　　如图2所示，通过门控单元控制时钟信号的翻转，从而实现对寄存器或模块的工作时钟的开关控制，决定数据是否向下一级逻辑传播。避免了冗余信号的翻转，从而降低了电路的动态功耗^[8]。
　　随着设计规模的增大，通过手动方式添加时钟门控逻辑效率很低，因而目前业界主流是通过EDA工具在综合阶段根据RTL级代码的特点自动插入时钟门控逻辑^[2]。
　　3.2.2 时钟门控单元的选择

　　时钟门控的实现方式有多种，最常用的是free和Latch-based。Latch-free类型时钟门控一般是由结构简单的与门或者或门电路组成，但对时序要求较高。比如由与门组成的电路波形图中时钟信号CLK和使能信号EN相与，得到的门控时钟GCLK出现了毛刺，影响了电路的稳定性^[2]。因此大部分设计使用Latch-based时钟门控电路，其电路图如下：

　　3.2.3实现流程

　　上图描述了利用DC工具插入时钟门控单元的流程，首先是选定时钟门控类型，然后读取RTL设计文件、定义时钟策略，再插入指定类型的时钟门控单元，最后逻辑综合的过程^[2] 。其中选取时钟门控类型是最关键的环节，具体命令如下：指定使用基于latch的门控电路类型，-minimum_bitwidth意味着一个门控时钟至少需要3个寄存器，指定时钟上升沿/下降沿触发的寄存器所用的门控单元，-setup/hold指定的是setup/hold time的约束，-maxfanout指定的是最大扇出数^[5]。另外可以查看工具手册，进行更多自定义选择。
　　3.2.4 结果分析

　　基于某ASIC工程在台积电90 nm工艺下进行实践，获得的结果如下：被时钟门控的寄存器占比达90%，因而能控制寄存器翻转，可有效降低动态功耗。统计功耗优化前后的具体数据，如表1所示。在90 nm工艺下，从DC综合后获得的信息来看，可以直观看出功耗降低效果显著，面积也节省了约37%，实践证明时钟门控技术是一种行之有效的降低功耗的方法。
　　4 结论

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第1页，欢迎您写论文时引用，并注明出处在目前日趋复杂的芯片设计中 ， 更 加 追 求 性能、面积、功耗等设计目标，低功耗优化设计已是重要指标之一。本文从设计需求实际出发，首先分析了功耗的构成及来源，然后阐述了功耗评估的方法，最后基于ASIC设计重点讲述了功耗优化的若干方法，并对时钟门控技术做主要说明，并实践证明获得了显著的功耗降低效果^[1]。
　　影响功耗的因素众多，优化的方法也很多，需要结合项目实际，在不同的设计阶段综合运用不同的优化方法来降低功耗，全局综合考虑，以达到功耗、性能、面积等多方面的优化提升^[9]。

　　参考文献
　　[1] 于立波.芯片设计中的功耗估计与优化技术[J].中国集成电路,2010,19(06):37-43.
　　[2] 茅锦亮.动态时钟门控管理策略的设计与实现[D].东南大学,2014.
　　[3] Synopsys. Low Power Methodology Manual[EB/OL].www.synopsys.com/lpmm.
　　[4] 杨玲.基于电路级的低功耗关键技术研究[D].上海交通大学,2010.
　　[5] Synopsys. Power Compiler User Guide[EB/OL].www.synopsys.com.
　　[6] 王彬, 任艳颖.数字IC系统设计[M].西安电子科技大学出版社,2005
　　[7]喻贤坤,姜爽,王磊,王莉,彭斌.数字集成电路门控时钟可靠性研究[J].电子技术应用,2017,43(01):60-63+67.
　　[8] 严石.面向DSP的时钟门控技术的优化与设计[D].东南大学,2016.
　　[9] 袁博.集成电路设计中乘法器的低功耗算法与实现技术研究[D].西安电子科技大学,2013.
　　作者简介：
　　尹远（1993-），男，湖南张家界人，硕士研究生，主要研究方向：数字集成电路设计。
　　黄嵩人（1972-），男，江苏无锡人，硕士研究生导师，主要研究方向：SOC设计，射频识别技术。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第54页，欢迎您写论文时引用，并注明出处