什麼是低功耗设计？

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什麼是低功耗设计？

英文原文：What is Low Power Design?

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定义

低功耗设计是一套技術和方法，目的在降低積體電路 (IC)整體的動態和靜態功耗(static power consumption)。

如Figure 1方程式中各別功率元件(power components)所示，低功耗设计的目標是盡可能降低各個功率元件，從而降低整體功耗。整個功率方程式包含動態和靜態功率。動態功率由開關功率(switching power)和短路功率(short-circuit power)組成；而靜態功率則由漏电流(leakage)或在沒有活动時流過電晶體的電流組成。每個功率元件的值與以下任一因素有關：

活动
频率
转换时间
电容负载
电压
漏电流
峰值电流

例如：當电压越高，則每個元件消耗的功率就越大，導致整體功率越高。相反地，當电压越低，總功率就越低。為了以最低的功耗實現最佳性能，需藉由各種低功耗技術和方法，嘗試並測試每一個不同因素的取捨。

低功耗设计的需求

電子產業相關公司不斷突破产物新特色和新功能的極限，集中在輕便、手持、以電池供電的設備中。對於這一類产物，能透過最小化功耗來延??長電池壽命，不但可以做出具差異化的市場區隔，對於終端用戶相關應用開發也是非常關鍵。而縮短設備從休眠狀態(OFF/SLEEP state)切換到運作狀態(ON/ACTIVE state)所需的時間也同樣重要，因為終端用戶都希望能在休眠/運作切換獲得無縫體驗的同時，也能享受更長的電池壽命。

對於「插電」的产物，功耗也很重要，因為加裝散熱器、復雜的冷卻系統、增加電力成本等，都會影響整個系統的成本。例如：在使用大規模並行系統的伺服器農場(server farm)中，降低單一晶片的功率可以顯著節省功耗，因為整個系統中都使用這種晶片。使用更新、更節能的IC來升級系統，可顯著降低功耗和成本。

低功耗设计技術

有許多可行的低功耗设计技術，有一些非常容易上手，有一些則相當複雜。

時脈閘控技術(Clock Gating)

此技術通常運用在邏輯合成期間。其中的暫存器(flops)被優化成時脈閘控結構，進而節省了多工器(mux)的面積，並減少整個時脈網路(clock net)的開關活动(參見下圖Figure 2)。根據這個功率方程式，我們的目標是降低电容负载 (透過面積減少的方式)和減少動態功率的開關功率活动因子。這是一種非常簡單且易於取得的技術，可以降低功率和面積。但是，它需要依賴邏輯合成工具來執行優化。幸運的是，這個技術很普及，並且大多數工具和流程中都支援這項技術。

多电压技術(Multi Voltage)

這是一種藉由性能特性(performance characteristics)來區分晶片功能的技術—也許其中一個模塊是高性能的，而晶片其餘部分的性能則較低，如下圖 Figure 3 所示。為了實現高性能模塊的目標，通常需要更高的电压；而為了節省較低性能模塊的功耗，可以使用較低的电压。這樣的方式，取代了在更高电压下设计整個模塊，雖然比較簡單，但功耗也更高。這個功率方程式中，电压降低，每個靜態和動態功率也會跟著降低。在多电压设计中的個別电压島(voltage islands)上進行设计尤為複雜。电压島之間的电压交叉點可能需要电压位準偏移器(Level Shifter; LS)單元，在不同的电压特性下執行並分析模塊。

電源閘控技術(Power Gating)

如同多电压技術，在這個技術當中，IC上的功能也被區分開來，但這次功率區域的電源連接了電源開關，如下圖Figure 4 所示。電源閘控可以有效地完全關閉一個模塊的電源。在這個功率方程式中，將电压歸零也會使功率歸零，進而在模塊關閉時節省靜態和動態功率。電源閘控通常可以提供最佳的節能效果，因此在維持功能的同時，能盡可能經常地關閉最多的功率區域，是最理想的目標。為了以電源閘控實現節能效果，必須在设计中加入電源開關，這需要隔離閘(isolation gates)在電源關閉時提供電源區域的邊界一個已知狀態。同時，必須考慮设计的電源狀態，以及針對給定电压的ON/OFF狀態組合。最後，需要加入電源管理單元(PMU)，進而控制電源開關和隔離單元的致能訊號(isolation enable signal) ，以確保在斷電和通電期間，這些訊號有正確的啟動順序，讓關閉期間需要被控制的變數都可以在正確的時間點有正確的值。

电源闸控时的保存状态

狀態保存技術(或暫存器保存 (register retention) 技術)，是一種與電源閘控一起使用的技術。在每個關閉的模塊中，當模塊為OFF狀態時，模塊中部分或所有的暫存器會保存它們原先的數值。當模塊通電時，之前保存的數值就會被恢復。因此，保存模塊斷電時的狀態很重要，這樣模塊就可以快速恢復原先的狀態，而不必再需要額外的時間從INIT狀態轉換到當前狀態。減少切換至保存的狀態所需的時間和步驟，既可以節省功率，也可以縮短模塊恢復至原先功能狀態所需的時間。除了電源閘控所需的技術外，元件資料庫中還必須具有可使用於RTL所需的暫存器配對的保存型暫存器(retention flops)。除了將訊號新增至電源閘控之外，還需要將SAVE/RESTORE訊號也新增至PMU的訊號控制序列中(參見Figure 5)。

其他先进技术

包括前述各項技術的組合在內，目前有許多更先進的低功耗设计技術。在現今許多晶片中，經常會使用到較低电压、帶有電源閘控的模塊，並具有絕緣、保存和平移位器。半導體well biasing、零接腳(zero-pin)保存暫存器、特殊化的低功耗元件資料庫單元、動態电压和频率調節(DVFS)、自適化电压和频率調節(AVFS)，以及其他客製化的设计，也是在業界會採用的先進低功耗技術。

低功耗设计方法

假設有一個範例，系統規格已確定、也完成系統模拟和微架構设计(microarchitecture)，針對特定製程，低功耗IP也已經選定，同時RTL 和 UPF 也已撰寫完成。在這些條件下的IC设计中，低功耗设计和验证方法會有五個主要階段。

靜態功率验证和探索

在靜態验证中，第一個步驟是確保设计流程所需设计檔案(RTL、UPF 和 SDC)在結構和語法上(syntactically)都是正確的。根據定义，靜態验证不需使用測試向量(test vector)，因此這是在進入模拟或實作流程之前，針對輸入進行檢查最有效的方法。通常來說，Lint和CDC檢查對於確保RTL的完整性(clean)很重要。UPF檢查可以獨立完成，也可以與相應的 RTL 一起完成，確保它們的完整性，並且 SDC 也可以與 RTL 一起進行靜態檢查。在架構功率探索中，可以通過估計的開關或模拟的實際波形，來初步估算RTL 的功率。通過初步的RTL 功率分析，可以儘早做出選擇，以改進设计的整體架構。

動態功率验证和分析

在動態功率验证中，有幾個重要面向需要檢查。首先，檢查PMU 控制訊號的序列是否正常運作，可以關閉、限制隔離、儲存、恢復、移除隔離限制和通電(power up)。這是與设计 RTL 和 UPF 一起進行的極其重要的檢查，以確保设计可以正常運行。接著，在设计中會發現什麼類型的波形和切換活动(toggle activity)呢？這將決定所採用的動態功率，因為它取決於活动因子。活动因子越高，使用的功率就越多。因此，產生的波形對於在设计過程的初期和後期準確估算功率非常重要。

软体驱动的功率分析

在以模拟器為基礎(emulation-based)的低功率流程中，能夠為设计的功率分佈取得正確的峰值區間(peak windows)非常重要。使用模拟器讓我們得以觀察更廣的數據範圍，進而選擇對於生成波形最有價值的時間區間，以估算功率。

功率实作

基於 RTL預測的功耗估算、邏輯合成、添加DFT電路和实体实作(physical implementation)都在低功耗中扮演重要的特定角色。以 RTL為基礎的功耗預測，使我們得以使用初始的功耗估算，在早期進行 RTL 修改。在邏輯合成中，RTL、SDC 和 UPF 都經過靜態和動態完整验证；隔離器、位準偏移器和保存型暫存器也都使用特定製程元件庫實作。其中時序、面積和功率都是用於產生電路檔(Netlist)和相關 UPF' 的成本函數。通常在此期間，DFT 電路的添加也會同時發生。一旦Netlist和 UPF’完成，另一輪檢查也會或靜態、或動態地在這個階段完成—一旦處理好，結果就會被導入实体实作。在实体实作中，佈局規劃是對佈局和電源佈線進行宏觀考量的情況下完成的。接著，在實際上插入和放置電源開關的位置進行佈局；然後重覆執行佈局、佈線估計、邏輯優化和時脈樹(clock tree)合成，以再次針對時序、面積和功耗進行取捨。最後，進到佈線步驟，其中優先訊號(時脈、電源啟動、開關連接)的預先佈線完成，接著進行设计中其餘部分的細部佈線—這些都強調可以更精細地降低功率，同時也試圖滿足時序和面積的目標。

签核(Signoff)

UPF一致性應該在签核時再次進行檢查。但是，這一次使用邏輯合成中的Netlist和 UPF'，以及物理實作中的 PGNetlist 和 UPF來進行，以確保對Netlist和 UPF 所做的連接和更改的一致性和完整，並保留功耗设计意圖(power intent)。針對「RTL和UPF 」、「Gate-level Netlist和UPF’」以及「PG Netlist和UPF”」所進行的邏輯等效性檢查，確保邏輯功能得以維持。最後，静态时序分析應使用UPF進行，以確保设计符合時序；而功率分析應使用詳細的波形特性，以提供準確的功耗估算結果。

低功耗设计工具

在低功耗设计方法中，每個階段所需的低功耗设计工具如下：

靜態功率验证和探索。靜態验证需要 Lint 和 CDC的工具，以確保 RTL 完整性。對於 UPF，需要一個 UPF 檢查器來確保 UPF 是完整的。而針對功率勘察，則需要 RTL 功率估算工具。
動態功率验证和分析。需要使用功率感知模拟器來验证電源序列並生成波形。功率感知的除錯工具(debug tool)以及可以調整RTL 模拟數據並轉換為閘門模拟數據的工具也是必需的，因為這些對於節省時間，以及為功耗分析提供準確波形都至關重要。
软体驱动的功率分析。通過模拟，可以產生以週期為基礎的功率，觀察更長的波行特性，可針對功率分析選擇正確的功率/時序視窗。
功率实作。基於 RTL 預測的功耗估算、邏輯合成、DFT 電路添加(掃描鏈添加(Scan Insertion)、记忆体自我測試單元(MBIST)、邏輯自我測試單元(Logic BIST) 等)和实体实作(平面規劃、佈局、時脈樹合成、佈線)是實現低功耗设计所必需的。
签核。對「Gate-level Netlist和UPF’」以及「PG Netlist和UPF”」進行UPF檢查至關重要，可以確保功耗意圖的正確，並在整個流程中維持下去。具有功率感知功能的邏輯等效性檢查，對於確保在整個流程中維持邏輯功能也非常重要。静态时序分析和功率分析工具，對於验证時序和提供準確的功耗估算結果也同樣相當重要。