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ASIC Low Power Design Methodology & Implement Scripts Example.pdf

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.81M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    ICSI-Gray all rights reserved 低功耗设计 该文档涉及的内容：  低功耗设计的目的  功耗的构成/类型  功耗分析与流程——EDA 工具使用  低功耗设计与优化 功耗的构成—按结构分 以 SoC 为例,主要分为：时钟树功耗、处理器功耗、存储器功耗、其他逻辑和 IP 核功耗、 输入输出 pad 功耗。在不同的应用、设备中，这些功耗的比例不一样，但是时钟树、处理器、 存储器占了绝大部分功耗，这是需要说明的。 功耗的构成—按照类型 低功耗分类，其构成主要有动态功耗、静态功耗、浪涌功耗这三种。 动态功耗 动态功耗包括：开关功耗或者称为翻转功耗、短路功耗或者称为内部功耗。 在数字 CMOS 电路中，对负载电容进行充放电时消耗的功耗，比如对于下面的 CMOS 非门中:  当 Vin = 0 时，上面的 PMOS 导通，下面的 NMOS 截止；VDD 对负载电容 Cload 进行充 电，充电完成后，Vout 的电平为高电平。  当 Vin = 1 时，上面的 PMOS 截止，下面的 NMOS 导通，负载电容通过 NMOS 进行放 电，放电完成后，Vout 的电平为低电平。 这样一开一闭的变化，电源的充放电，就形成了开关功耗，开关功耗的计算公式如下所 示： 1 / 52
    ICSI-Gray all rights reserved Pswitch = [(VDD)2CLoadTr] / 2 = 在上式中，VDD 为供电电压，Cload 为后级电路等效的电容负载大小，Tr 为输入信号的翻 转率。 短路功耗 短路功耗也称为内部功耗，短路功耗是因为在输入信号进行翻转时，信号的翻转不可能 瞬时完成，因此 PMOS 和 NMOS 不可能总是一个截止另外一个导通，总有那么一段时间是 使 PMOS 和 NMOS 同时导通，那么从电源 VDD 到地 VSS 之间就有了通路，就形成了短路电 流，如下面的反相器电路图所示： 短路功耗 Pshort 的计算公式如下所示： 上式中，Vdd 为供电电压，Tr 为翻转率，Qx 为一次翻转过程中从电源流到地的电荷量。 由此我们可以找到，动态功耗主要有开关功耗和短路功耗；其中开关功耗在动态功耗中 占大部分比例；从上面的两个式子中我们可以看到，动态功耗主要跟电源的供电电压、翻转 率、负载电容有关。 静态功耗 在 CMOS 电路中，静态功耗主要是漏电流引起的功耗，如下图所示： 漏电流有下面几个部分组成：  PN 结反向电流 I1（PN-junction Reverse Current） 2 / 52 122DDeffclockVCf
    ICSI-Gray all rights reserved  源极和漏极之间的亚阈值漏电流 I2（Sub-threshold Current）  栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流 I3（Gate Induced Drain Leakage）  栅极和衬底之间的隧道漏电流 I4（Gate Tunneling） 一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流（进入超深亚微米工艺之后， 隧道漏电流成为主要电流之一），因此下面就简单介绍一下这两种电流。 栅极泄漏功耗： 在栅极上加信号后（即栅压），从栅到衬底之间存在电容，因此在栅衬之间就会存在有 电流，由此就会存在功耗。 亚阈值电流： 使栅极电压低于导通阈值，仍会产生从 FET 漏极到源极的泄漏电流。此电流称为亚阈 值泄漏电流。在较狭窄的晶体管中，漏极和源极距离较近的情况下会产生亚阈值泄漏电流。 晶体管越窄，泄漏电流越大。要降低亚阈值电流，可以使用高阈值的器件，还可以通过衬底 偏置进行增加阈值电压，这些属于低功耗设计，我们在后面的低功耗设计中会进行讲解。 静态功耗的计算公式如下所示，Ipeak 为泄漏电流： 静态功耗往往与工艺有关，我们在第三小节中将进一步进行讨论。 浪涌功耗 浪涌功耗是浪涌电流引起的功耗。 浪涌电流是指开机或者唤醒的时候，器件流过的最大电流，因此浪涌电流也称为启动电 流。一般情况下，浪涌功耗不是我们关注的地方，因此这里只是说明有这个功耗存在。 功耗分析与流程概述 这里我们就介绍一下 EDA 工具分析功耗的(普遍)流程，然后下一小节我们将介绍低功 耗电路的设计和优化。 1、功耗分析流程的输入输出 功耗分析的流程(从输入输出关系看)如下所示: （注意，不管使用什么方法进行功耗分 析，功耗分析的时候，输入设计文件的都是门级网表文件） 3 / 52
    ICSI-Gray all rights reserved 上面的图中，需要四种东西:  tech library: 包含功耗信息的工艺库，比较精确的库还应该包含状态路径(SDPD)信息， 代工厂提供。  netlist: 设计的门级网表电路，可以通过 DC 综合得到。  parasitic: 设计中连线等寄生参数，比如寄生电容、寄生电阻，这个一般是后端 RC 寄  生参数工具提供，简单的功耗分析可以不需要这个文件。 switch activity: 包含设计中每个节点的开关行为情况，比如说节点的翻转率或者可以计 算出节点翻转率的文件。这个开关行为输入文件是很重要的。这个开关行为可以有不同 的形式提供，因此就有后面不同的分析功耗的方法。 2、开关行为的一些概念 说到开关行为，我们前面的翻转率也是一种开关行为。此外我们还有其他关于开关行为 描述的概念，这里我们通过举例说明，如下图所示:  翻转(次)数：逻辑变化的次数，上图中信号的翻转数为 3.  翻转率：翻转率是单位时间内信号(包括时钟、数据等等信号)的翻转次数。上图中 翻转率为 3/6 = 0.5(6 个时间间隔内，翻转了 3 次)  T1,T0：(节点)信号的逻辑值为 1 和 0 的持续时间，上图中 T1 为 4，T0 为 2。  静态概率(static probability，SP) ：(节点)信号逻辑值为 1 的概率，上图中的 SP 为 4/6=2/3。 3、开关行为(文件)情况表示 前面我们说到了功耗的分析需要开关行为的情况，一般就是指每个节点的翻转率情况， 4 / 52
    ICSI-Gray all rights reserved 我们有下面方式设置翻转率: ① 直接命令进行 例如命令: set_switching_activity -static 0.2 -toggle_rate 20 -period 1000 [all_inputs] 这时，翻转率设置的节点是输入，响应的翻转率为:Tr = 20/1000 = 0.02GHz SAIF 文件:即 switching activity interchange format，开关行为内部交换格式文件，用于仿 真器和功耗分析之间交换信息的 ASCII 文件(美国标准信息交换码文件)。 VCD 文件：即 value change dump 文件，它也是一个 ASCII 文件，文件中包括了一个设 计中所选择变量值的变化信息，这些信息通过在仿真 testbench 中使用“VCD 系统函数” 得到。 在 Synopsys 的低功耗设计流程里面，可以使用 power compiler（包含在 design compiler 中）进行功耗分析。我们可以通过命令来定义节点的翻转率的方法来分析功耗，称为无向量 (vector-free)分析法。 由于 SAIF 文件和 VCD 文件可以通过对电路仿真得到，它们是仿真接口格式文件，因 此也可以通过 VCS 仿真器产生 SAIF 或者 VCD 文件的方法分析功耗。当要分析的结果比较 精确时，一般使用 SAIF 文件或者 VCD 文件（VCD 文件通过相关命令转换成 SAIF 文件， 而后使用 SAIF 进行功耗分析）。 ② 无向量分析法 前面我们说到，无向量分析法就是通过命令来定义节点的翻转率的方法来分析功耗。我 们先来逐条学习需要什么的命令，然后在后面进行举例说明无向量分析法的脚本。 在学习设置翻转率的命令之前，我们先来了解一下什么是设计的传播起点和黑盒子。 我们定义传播的起点为设计的输入端和黑盒子的输出端，黑盒子是指在工艺库里没有 功能描述的单元（比如 ROM 、RAM 或者一些 IP 核）。 例如对于下面的设计中： 上面的设计有三处起点，一处是整个设计的输入端，一处是黑盒子的输出端，还有一处 是某个单元的输入端。最后一处的起点不包含在我们的定义中，但是我们也把它当作起点， 因为这是被标记了翻转率，这个我们后面进行讲解。 5 / 52
    ICSI-Gray all rights reserved 利用无向量分析法分析功耗时，不必提供设计内部节点的翻转率，而是通过设置起点的 翻转率就行了。我们有两种方法设置翻转率  一种是通过设置翻转变量；  一种是通过标记的方法。 下面我们就来介绍如何通过这两种方法进行设置翻转率。 ①设置翻转变量 在 power compiler 中，可以设置下面的两个翻转变量进行设置翻转率： power_default_toggle_rate power_default_static_probability 下面就来介绍一下这两个变量（主要介绍 power_default_toggle_rate）： power_default_toggle_rate 其用法我们可以在 DC 中进行 man 一下，这个变量设置设计中默认使用的翻转率。 定义方式是： set power_default_toggle_rate （翻转值） 翻转值默认是 0.5。这个翻转值不是翻转率，这个变量定义的翻转率是个相对的值：  如果设计定义了时钟，这个 power_default_toggle_rate 变量定义的翻转率就以 最快的时钟为参考，比如翻转值为 0.5 时，设计中最快的时钟为 10ns，那么翻转率 Tr = 0.5/10ns = 0.05GHz，也就是整个设计中默认的翻转率是 0.05GHz。  如果设计中没有时钟，那么就会以工艺库中的时间单位作为参考，例如工艺库中的时间 单位是 ns，翻转值为 0.5，那么翻转率 Tr = 0.5/1ns = 0.5GHz。 power_default_static_probability 这个设置的是默认的静态概率，也就是起点的逻辑值是 1 的概率。至于静态概率，这里 就不详细描述了。这两个变量的默认翻转值都是 0.5，翻转率是很大的，一般情况下需 要减小一点，比如设置为 0.01 和 0.02 这样的。 一 般 情 况下， 默 认 的翻转 率 是 设置在 起 点 上的， 也 就 是说起 点 的 翻转率 用 的 是 power_default_toggle_rate 这个变量设置的翻转率，内部节点的翻转率可以通过传 播得到，如下图所示： 6 / 52
    ICSI-Gray all rights reserved 需要说明的是，传播不可以穿过没有功能描述的黑盒子，也就是不能通过传播的方式得 到黑盒子的输出翻转率，因此我们在最前面就定义了，将黑盒子的输出当作起点，这样其他 节点的翻转率可以通过传播得到（包括黑盒子的输入），黑盒子输出的翻转率，通过默认设 置的翻转率得到，我们就得到了设计中所有节点的翻转率。 ②标记翻转率 上面的方式设置的是默认的翻转率。当我们需要为某个节点标记某个指定的翻转率，而 不是使用默认的翻转率时，我们就用到了标记频率，如下图所示： 单元 A 的输入端口标记了特定翻转率，比如说 0.04GHz。标记的翻转率比传播的翻转率优 先级更高，被标记翻转率的节点将作为一个新的起点，这就不属于起点的定义，但还是叫它 为起点的原因。标记翻转率之后，这个单元后续的节点的翻转率将通过这个新标记的翻转率 传播得到。 设置标记翻转率（简称设置翻转率）的命令主要有两条： 1) set_switching_activity 2) set_case_analysis 下面就来讲解一下这两条命令的意思。 set_switching_activity 设置某个节点的翻转率和静态概率，在使用无向量分析法估算功耗的时候，这个命令被 广泛使用，越多的节点上被标记翻转率，估算功耗的精度就越高。 命令和选项如下所示： set_switching_activity [-static_probability static_probability] [-toggle_rate toggle_rate] [-state_condition state_condition] [-path_sources path_sources] [-rise_ratio rise_ratio] [-period period_value | -base_clock clock] [-type object_type_list] [-hierarchy] [object_list] [-verbose] 7 / 52
    ICSI-Gray all rights reserved 下面来简单介绍一下常用的几个选项，详细的介绍可以通过 man set_switching_activity 获取。 -static_probability 设置静态概率 -period period_value | -base_clock clock 设置时钟（周期），-period 和 -base_clock 只能设置其中一个 -toggle_rate 设置翻转值，与-period 或者 -base_clock 相关联。翻转率 Tr 等于：用-base_clock 选项指 定的时钟周期里面的翻转数目或用-period 选项指定的时间段里的翻转数目；当没有这 个设置两个选项时，将使用工艺库里面的时间单位，即翻转率等于在每个库单位时间内 的翻转数目。 ====================================================================== 上面我们讲解了设置翻转率的方法，下面举例说明一下如何综合使用这两种翻转率。 例如对于下面的设计： 翻转率的设置要求如下所示： 1.正确地定义时钟； 2.使用 set_case_analysis 命令设置常数控制信号 reset； 3.在传输起点设置翻转率，在输入端和黑盒子输出端设置任何已知的翻转率，其他的起 点将使用默认的翻转率； 4.让工具在设计中把翻转率传播下去。 上面的没有要求具体的翻转率，因此我们可以设置我们想要的翻转率，根据上面的要求， 我们编写相应的 tcl 脚本如下所示： create_clock -p 4 [get_ports clk} set_case_analysis 0 reset [get_ports reset] set_power_default_toggle_rate 0.003 set_switching_activity -tog 0.02 a set_switching_activity -tog 0.06 b set_switching_activity -tog 0.11 x 8 / 52
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