基于統(tǒng)一功率格式的SoC的低功耗方案設計

為了幫助日益壯大的設計隊伍，EDA行業(yè)必須為設計人員提供能夠使整個流程順利執(zhí)行的自動化解決方案。這些解決方案必須對功率進行優(yōu)化，同時滿足所有其它的設計和市場要求，包括速度、成本和IC制造良率。

　　功率問題概況

　　通過在系統(tǒng)級進行權(quán)衡取舍，作出相關決策，可以最大限度地降低消費設備的功率和能耗。有關系統(tǒng)劃分 (亦即確定哪一種功能性由硬件還是軟件來實現(xiàn))、元件及IP選擇的決策，對降低功率和系統(tǒng)性能及功能性的影響最大。

　　例如。在一個基于硬盤的MP3播放器中，對功率管理而言，關鍵的架構(gòu)性特征之一是軟件控制數(shù)據(jù)緩沖系統(tǒng)，其允許硬盤每次提供相當于長度幾分鐘的 音樂，然后停止旋轉(zhuǎn)，等待下一次的音樂。盡管現(xiàn)在許多移動電話都已在架構(gòu)級對語音通信進行了高度優(yōu)化，來自消費者的壓力仍然迫使設計師增加從電郵到流視 頻，乃至MP3播放器的大量其它功能。

　　這樣一來，系統(tǒng)設計師又不得不使用越來越激進的架構(gòu)來管理功率。為了支持這種工作，EDA行業(yè)不斷提高自身的系統(tǒng)級功率建模工具，以向系統(tǒng)設計人員提供關于其架構(gòu)性決策的影響的反饋信息。

　　圖：在設計中與golden RTL協(xié)作，通過DVFS和功率門控技術(shù)，在全設計流程中系統(tǒng)化地使用UPF來降低動態(tài)和靜態(tài)功耗。

　　硬件功率管理技術(shù)

　　一旦確定了系統(tǒng)架構(gòu)，選定了主要的應用IC，就可以運用各種硬件功率管理技術(shù)了。

　　RTL設計人員可以利用各種技術(shù)，如時鐘門控、邏輯和單元電路級功率優(yōu)化，以及多線程電壓設計等，作為一個標準的基于綜合的設計流程的一部分。 這些技術(shù)的自動應用可以降低功耗，同時保持性能、可測試性與可制造性。但這需要一個集成時鐘門控單元和邏輯單元的庫來提供多個驅(qū)動力度和多個閾值電平，還 需要工具來使用這些單元庫的功能?，F(xiàn)在的EDA工具就具有這類能力，而這些技術(shù)的使用也越來越普及。而更加激進的功率管理方法仍在設計原則和EDA工具能 力的前沿。

　　動態(tài)功率與V2成正比，故要把動態(tài)功率降至最小，關鍵在于降低電源電壓。設計人員已開始采用片上多電壓域：較高的電壓域用于高性能模塊，比如處 理器和緩存;較低的電壓域用于其它工作頻率較低的模塊。該方案需要在工作電壓不同的模塊間插入電平轉(zhuǎn)換器。這種大膽的設計是根據(jù)主要元件(比如處理器)的 工作負載，動態(tài)地為它們分配電源電壓和時鐘頻率，被稱為動態(tài)電壓頻率調(diào)變(DVFS)技術(shù)。

　　隨著工藝幾何尺寸不斷縮小到90納米、65納米及以下，漏電流問題越來越突出，限制了手持設備的電池壽命。為了把泄漏功率降至最低，設計人員開 始采用功率門控技術(shù)—關斷未在使用的模塊的電源，通常是利用片上開關關斷。這樣，在那些斷電和上電的域間就需要隔離單元，還需要一種策略來保 存關斷期間的狀態(tài)。

　　對于那些有峰值處理要求(如視頻編碼/解碼)但又有大量時間處于空閑狀態(tài)下的消費應用而言，這些技術(shù)極為有效。利用一種自適應功率管理方案，設計人員就可以最大限度地提高所設計芯片的性能，而當設計中某些模塊的工作負載減少時使其以超低功率模式工作。

　　通過正確的硬件設計及其它因素，DVFS和功率門控技術(shù)可通過軟件來控制，實現(xiàn)大幅度節(jié)能，延長電池壽命。

　　這些自適應技術(shù)都需要更加智能的設計自動化技術(shù)和更加靈活的IP。設計人員需要一種辦法來詳細說明功率意圖，即明確哪一個域由哪一個電源供電， 哪一個域可被關斷，以及什么時候采用什么策略來保存關斷期間的狀態(tài)。設計人員一般都希望這種設計意圖的確定與RTL無關，因為特定的RTL模塊在不同的應 用中可能有不同的功率意圖。

　　因此，實現(xiàn)工具需要設置功率意圖，并在適當?shù)奈恢貌迦腚娖睫D(zhuǎn)換器、隔離單元和保持寄存器，并把功率正確路由到芯片中的所有器件。尤其是，這些工具需要對信號進行適當緩沖，亦即，當需要信號時緩沖器上電，不需要時關斷。這些路由規(guī)則中有一部分可能會變得相當復雜。

　　簽核工具現(xiàn)在必須包含電壓依賴性時序和功率網(wǎng)格完整性。驗證(規(guī)則的和動態(tài)的)必須能夠處理因增加功率門控技術(shù)而產(chǎn)生的設計行為的變化。IP供 應商也必須協(xié)助開發(fā)出范圍更廣泛的低功率IP，包括電平轉(zhuǎn)換器、隔離單元、保持觸發(fā)器和功率門控開關。為了支持DVFS，還必須對單元庫進行特性化以用于 大電壓范圍，而不僅僅局限在一兩個特殊的工作點上。

　　統(tǒng)一功率格式

　　幸運的是，業(yè)界主流公司已開始聯(lián)手協(xié)作推出低功率解決方案，把更加自動化的EDA工具、更靈活的IP、標準 格式和功耗要求更嚴格的工藝技術(shù)整合到真正的端到端解決方案中。最近，Accellera標準組織內(nèi)有一大批領先的半導體、EDA和IP公司聯(lián)盟正在積極 開發(fā)一種統(tǒng)一功率格式(UPF)。UPF提供了一個機制來描述與RTL無關設計的功率意圖。它允許設計人員定義功率門控所需的功率域、隔離策略和保持策 略。它還允許設計人員定義電平轉(zhuǎn)換器策略和功率狀態(tài)表，用來處理多個功率域。利用UPF，可以使全設計流程中的所有工具統(tǒng)一化，以實現(xiàn)和驗證同一套功率降 低策略。

　　在設計中與golden RTL協(xié)作，通過DVFS和功率門控技術(shù)，在全設計流程中系統(tǒng)化地使用UPF來降低動態(tài)和靜態(tài)功率。