另一層設(shè)計考量――混合技術(shù)降低動態(tài)功耗

隨著行動裝置成為市場主流，以及不斷攀升的能源成本和環(huán)保意識的提高，功耗（power consumption）已成為設(shè)計人員最關(guān)心的議題。功耗大抵可分為兩部分，其一是靜態(tài)（static）或漏電（leakage）功耗，當元件處于待機狀態(tài)時該情況自然會產(chǎn)生；其二是動態(tài)功耗（dynamic power），指的是元件切換過程中所產(chǎn)生的功率消耗。就降低功耗而言，兩者都是設(shè)計上重要的議題；而這份報告主要是探討動態(tài)功耗及如何改善其相關(guān)的度量（metric）。

傳統(tǒng)設(shè)計中的另一層考量

過去數(shù)十年來，設(shè)計人員運用合成（synthesis）設(shè)計塬則進行設(shè)計，如此可產(chǎn)生同步時脈（synchronous clock-based）的架構(gòu)。在這樣的設(shè)計方法下，所有的邏輯電路轉(zhuǎn)換由透過時脈網(wǎng)路分配的主時脈所支配。若最長的邏輯路徑（logic path）超過主時脈的L期時間，則設(shè)計人員必須設(shè)法減緩時脈，或者加快長路徑的速度。為了最有效地權(quán)衡兩者，設(shè)計人員會使用靜態(tài)時序分析工具，進行最長路徑的運算及邏輯電路的最佳化，直到他們達成所預(yù)定的時序頻率。

以上所述是當今設(shè)計所運用的基本方法論，它的效果不錯、能達成每個技術(shù)節(jié)點的速度優(yōu)化，而且極為可靠。然而就當今的設(shè)計環(huán)境來說，其主要的缺點是它把面積（area）和功率列為第二和第叁考量順位，但以目前消費者對于更小、更快速且強調(diào)功能特色裝置的迫切需求而言，設(shè)計人員不能再把面積與功率視作次要的設(shè)計目標，而是必須審慎評估及改善這兩項度量，以滿足當今的設(shè)計要求。

當我們在進行同步設(shè)計分析并將動態(tài)功耗納入考慮時，可以辨識出兩種造成過度功率耗損的塬因。其中之一是時脈分配（clock distribution），它能確保所有的邏輯電路與主時脈同步。整個時脈結(jié)構(gòu)上的時脈偏移對于晶片的效能有直接的影響，因此必須設(shè)法將時脈延遲及偏移的發(fā)生降至最低。管上述架構(gòu)允許設(shè)計人員提高時脈頻率（及效能），但它也會消耗掉20％到60％的晶片功率，且需要大量的半導體空間。換句話說，這種設(shè)計方法雖然效率高但成本也高，特別是在功率方面。

同步設(shè)計也意味著電路中的所有轉(zhuǎn)換會「聚集（bunch up）」在時脈邊緣。舉例來說，在每個有效時脈邊緣上，所有發(fā)生在邏輯路徑的轉(zhuǎn)換會同時被執(zhí)行，而當條件順著組合邏輯鏈（combinatorial logic chain）被滿足后，這些轉(zhuǎn)換就會逐漸停止。若以圖示表示，該現(xiàn)象可用鋸齒波形來呈現(xiàn)。而大多數(shù)的動態(tài)功率就是在這樣的執(zhí)行過程中被消耗掉的，直到路徑末端幾乎沒有功率被消耗為止。若是在最佳時序的狀態(tài)下，則最后的轉(zhuǎn)換應(yīng)當在下一個時脈進行前就減弱。

就時序（timing）而言，該方法論的效果不錯，若能妥善分配L期中的轉(zhuǎn)換以及消除鋸齒波形，則在任何時間點所需的最大功率將會大幅降低，幅度約30％到50％左右。這是因為電源供應(yīng)線不需要處理每個時脈周期（clock cycle）一開始產(chǎn)生的眾多元件切換所帶來的電流突波（power surge），也因此可以減少面積并降低功率的浪費。

有一個簡單但不切實際的解決方式是，建立一個帶有適當延遲的客u邏輯電路（custom logic）去達成每個輸出點所欲達到的功能，藉此妥善調(diào)整功率的分派。這個做法可以讓速度變得很快，有點類似讓單一印表機對上單一電腦，而不是透過區(qū)域網(wǎng)路讓多個使用者共享一臺印表機的資源。然而這樣的架構(gòu)需要大量的面積、邏輯電路及功率才能恰當?shù)倪\作。我們相信一定有其他更好的方式能達成時序、效能、功率及面積的目標，同時又能符合經(jīng)測試且有效率的合成設(shè)計方法（methodology of synthesis-based design）。

提升省電效率的方法

時脈閘控（clock gating）是用來在同步設(shè)計環(huán)境中，達成較佳動態(tài)功耗效能的最常見技術(shù)。時脈閘控本身即是違反傳統(tǒng)的同步設(shè)計規(guī)則，而當今很多工具便是利用這樣的「漏洞（loophole）」成功地改善功耗的問題。利用時脈閘控技術(shù)，除非輸入至正反器（flip-flop）的資料遭到改變，否則正反器將不會接收到時脈訊號， 如此一來可以避免把功率浪費在正反器單元中，以及避免把功率用在受到閘控的任何時脈樹部分。因此，當前的設(shè)計工具大量利用時脈閘控達成大幅降低動態(tài)功耗的目的。

在任何復(fù)雜的邏輯錐（cone of logic）中，當路徑進一步到達邏輯錐區(qū)時，很多轉(zhuǎn)換便會被封鎖住，而無法透過時脈閘控來抑制。其中有些轉(zhuǎn)換可作為「資料閘控（data gating）」用，而這個時候便能識別出，那些在不影響電路輸出情況下進行轉(zhuǎn)換的邏輯電路。常見的例子像是在某些時間點未被使用的操作輸入，或是在L期中進行改變的記憶體讀取地址。平息這類型的轉(zhuǎn)換將大幅降低電路中耗費功率的轉(zhuǎn)換，同時對時序造成的影響也最小。進而使得該電路變得更省電。

將功耗降至最低的工具

為了進一步提升效率，設(shè)計人員必須在架構(gòu)層級（architectural level）進行最新技術(shù)的運用。新思科技DesignWare minPower Components在各式環(huán)境中，都能盡可能地以耗用最低功率的方式運作。架構(gòu)上來說，這些元件是在最省電的配置下被執(zhí)行，它們用來執(zhí)行各自的功能，同時將耗用功率但無產(chǎn)出的假性轉(zhuǎn)換的數(shù)量降至最低。而透過Design Compiler Ultra （DC Ultra）改善實作過程中的架構(gòu)性選擇（區(qū)域時序及交換動作都可被納入考量），minPower Components可為所有運算環(huán)境提供最佳架構(gòu)性解決方案。

此外，分析顯示，由于其大型的電路尺寸及頻繁的交換活動，資料路徑電路（datapath circuits ）經(jīng)常耗用大量的動態(tài)功率。而對于必須維持電源開啟一段時間的電路而言，這類的影響也就越顯著。為了降低這些電路的功耗，DesignWare minPower Components包含了一系列具有轉(zhuǎn)換機率成本的資料路徑架構(gòu)。當使用DesignWare minPower Components IP及DC Ultra流程，它能讓資料路徑產(chǎn)生器計算每個架構(gòu)及編碼決策的功率，進而讓DC Ultra產(chǎn)生可以平息交換活動的路徑資料架構(gòu)、限制錯誤的產(chǎn)生及傳遞，以及利用較高比例的低漏元件資源。

DesignWare minPower Components亦附有利用轉(zhuǎn)換機率（transition probabilities）的功率模型，不論所提供的實際交換動作是使用者定義或是來自交換動作互換格式（Switching Activity Interchange Format，SAIF）中的模擬向量，DesignWare minPower Components都可根據(jù)交換的內(nèi)容，進行資料路徑架構(gòu)的最佳配置。它可以以最佳的方式重新排列資料路徑樹（datapath tree）及改變運算編碼，以便停止交換動作及錯誤的產(chǎn)生，進而減少功耗。

該高層級優(yōu)化技術(shù)還可以協(xié)助設(shè)計人員根據(jù)個別設(shè)計的特性達到功率的節(jié)省。資料路徑架構(gòu)可以讓設(shè)計達成友善的資料路徑閘控，且當資料無效時可讓設(shè)計人員關(guān)閉整個路徑資料區(qū)塊的交換。該路徑資料架構(gòu)是依照可利用嵌入閘控邏輯進行配置的結(jié)構(gòu)所設(shè)計，如此可以排除對于外部隔絕閘的需求，因為這類的需求經(jīng)常會降低時序的特性。

另外，在現(xiàn)有的低功耗設(shè)計流程中如果裼DesignWare minPower Components也相當?shù)睾喢饕锥＠鐣r脈閘道技術(shù)、低功率合成以及利用多層臨界電壓降低漏電等方式仍然可以搭配使用，以生產(chǎn)更省電的設(shè)計。

結(jié)論

在設(shè)計技術(shù)持續(xù)演進的過程中，動態(tài)功耗仍是低功耗設(shè)計的重要議題。任何晶片的功能都是透過邏輯電路的轉(zhuǎn)換來達成，而這些轉(zhuǎn)換會耗用掉功率。省電效率對當今復(fù)雜的晶片來說是如此重要，以致于設(shè)計人員必須不斷尋找新的方式，在耗費最小功耗的前提下達成最大的效益。傳統(tǒng)的同步設(shè)計方法論仍有運用的空間，但結(jié)合非同步設(shè)計、資料敏感度，及較高層級方式的混合式解決方案，也不失為一個好的折衷方式，而這類的解決方案有仍待設(shè)計人員的持續(xù)探索。