如何突破EDA功率的瓶頸

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，就要看設計流程的其它部分中可以節(jié)省的能耗。

優(yōu)化與比較

設計包含了估算與優(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應用工程總監(jiān)Arvind Shanmugavel認為，只有當擁有了一個完整設計和一組正確的矢量時，功率估算才是一種精確的科學。在未完成設計以前，根據(jù)定義，所有事物都是一種即將在設計中發(fā)生的估計。在設計早期的功率預算階段，應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認為，可以預期在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%的偏差。

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，功率是矢量相關的，因此可能需要運行多次仿真，來獲得有關設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濾波器中幾個寄存器的轉換動作(參考文獻1)。對于一個不會破壞數(shù)據(jù)相關性的架構，語音數(shù)據(jù)開關電容的次數(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)相關性的架構，語音數(shù)據(jù)開關電容的次數(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。切斷某個電路的時鐘，可阻止一個設計中時鐘或寄存器的切換動作。另一種技術是采用電壓島，它降低了設計的工作電壓，從而使開關元件的動態(tài)功耗前后比值為電壓前后比值的平方。設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)是迄今最為復雜的動態(tài)功率控制技術。這種方法會根據(jù)負載的需求，改變有效工作電壓和頻率。在高負載情況下，電壓與頻率處于額定狀態(tài)，芯片或設備為滿負荷工作。在低負載情況下，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。設計者可通過軟硬件方案的組合，實現(xiàn)這種技術。

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，它是低功耗設計中一種新興的趨勢。Apache的Shanmugavel認為，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，以及設計者對于熱效應有了更多的理解，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， 設計者可以采用電源門控方法，為一個待機狀態(tài)的設備節(jié)省最多的泄漏功耗。關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。設計者必須在設計實現(xiàn)以前，了解有關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是用高閾值電壓門代換標稱閾值電壓的門。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低于較小閾值電壓的器件，但付出的代價是較大的延遲。設計者必須做一個仔細的權衡分析，才能用此技術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門中基材結點的偏置電壓，從而降低泄漏電流。這種偏置技術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的采納率，Synopsys通過自己的一個“全球用戶調查”，收集了用戶數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3，為了感受一下這些技術的采納率，Synopsys通過自己的一個“全球用戶調查”，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，作為采用反偏置或阱極偏置的主要應用。注意百分比大于100，因為調查會收到多個答案。

除RTL優(yōu)化以外，設計者還在開發(fā)一些能在系統(tǒng)級上做估算和架構研究的工具。功率是一個系統(tǒng)級的問題，有些設計者發(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，設計者設計芯片是為了獲得最大的靈活性，以現(xiàn)在設計芯片的成本，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)。