統(tǒng)一功率格式降低SoC的功耗

　　年初在美國(guó)拉斯維加斯舉辦的消費(fèi)電子展(CES)告訴我們，如果要問(wèn)電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域最重要的三件事是什么：答案就是：低功率、低功率和低功率。因而，系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)人員必須在為手持設(shè)備提供更多功能性的同時(shí)延長(zhǎng)其電池壽命。這是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。

　　迄今為止，設(shè)計(jì)人員都必須完全靠自己精心設(shè)計(jì)策劃，把各種專門(mén)的設(shè)計(jì)技術(shù)、低功率優(yōu)化IP模塊和單元庫(kù)，與半導(dǎo)體工藝技術(shù)相整合起來(lái)。有些團(tuán)隊(duì)失敗了，有些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)則完成得很出色。

　　為了幫助日益壯大的設(shè)計(jì)隊(duì)伍，EDA行業(yè)必須為設(shè)計(jì)人員提供能夠使整個(gè)流程順利執(zhí)行的自動(dòng)化解決方案。這些解決方案必須對(duì)功率進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)滿足所有其它的設(shè)計(jì)和市場(chǎng)要求，包括速度、成本和IC制造良率。

功率問(wèn)題概況

　　通過(guò)在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行權(quán)衡取舍，作出相關(guān)決策，可以最大限度地降低消費(fèi)設(shè)備的功率和能耗。有關(guān)系統(tǒng)劃分 (亦即確定哪一種功能性由硬件還是軟件來(lái)實(shí)現(xiàn))、元件及IP選擇的決策，對(duì)降低功率和系統(tǒng)性能及功能性的影響最大。

　　例如。在一個(gè)基于硬盤(pán)的MP3播放器中，對(duì)功率管理而言，關(guān)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(pán)每次提供相當(dāng)于長(zhǎng)度幾分鐘的音樂(lè)，然后停止旋轉(zhuǎn)，等待下一次的音樂(lè)。盡管現(xiàn)在許多移動(dòng)電話都已在架構(gòu)級(jí)對(duì)語(yǔ)音通信進(jìn)行了高度優(yōu)化，來(lái)自消費(fèi)者的壓力仍然迫使設(shè)計(jì)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(lái)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師又不得不使用越來(lái)越激進(jìn)的架構(gòu)來(lái)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(jí)功率建模工具，以向系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供關(guān)于其架構(gòu)性決策的影響的反饋信息。

圖：在設(shè)計(jì)中與golden RTL協(xié)作，通過(guò)DVFS和功率門(mén)控技術(shù)，在全設(shè)計(jì)流程中系統(tǒng)化地使用UPF來(lái)降低動(dòng)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(yīng)用IC，就可以運(yùn)用各種硬件功率管理技術(shù)了。

　　RTL設(shè)計(jì)人員可以利用各種技術(shù)，如時(shí)鐘門(mén)控、邏輯和單元電路級(jí)功率優(yōu)化，以及多線程電壓設(shè)計(jì)等，作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基于綜合的設(shè)計(jì)流程的一部分。這些技術(shù)的自動(dòng)應(yīng)用可以降低功耗，同時(shí)保持性能、可測(cè)試性與可制造性。但這需要一個(gè)集成時(shí)鐘門(mén)控單元和邏輯單元的庫(kù)來(lái)提供多個(gè)驅(qū)動(dòng)力度和多個(gè)閾值電平，還需要工具來(lái)使用這些單元庫(kù)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(lái)越普及。而更加激進(jìn)的功率管理方法仍在設(shè)計(jì)原則和EDA工具能力的前沿。

　　動(dòng)態(tài)功率與V2成正比，故要把動(dòng)態(tài)功率降至最小，關(guān)鍵在于降低電源電壓。設(shè)計(jì)人員已開(kāi)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(shè)計(jì)是根據(jù)主要元件(比如處理器)的工作負(fù)載，動(dòng)態(tài)地為它們分配電源電壓和時(shí)鐘頻率，被稱為動(dòng)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(wèn)題越來(lái)越突出，限制了手持設(shè)備的電池壽命。為了把泄漏功率降至最低，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始采用功率門(mén)控技術(shù)—關(guān)斷未在使用的模塊的電源，通常是利用片上開(kāi)關(guān)關(guān)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(lái)保存關(guān)斷期間的狀態(tài)。

　　對(duì)于那些有峰值處理要求(如視頻編碼/解碼)但又有大量時(shí)間處于空閑狀態(tài)下的消費(fèi)應(yīng)用而言，這些技術(shù)極為有效。利用一種自適應(yīng)功率管理方案，設(shè)計(jì)人員就可以最大限度地提高所設(shè)計(jì)芯片的性能，而當(dāng)設(shè)計(jì)中某些模塊的工作負(fù)載減少時(shí)使其以超低功率模式工作。

　　通過(guò)正確的硬件設(shè)計(jì)及其它因素，DVFS和功率門(mén)控技術(shù)可通過(guò)軟件來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)大幅度節(jié)能，延長(zhǎng)電池壽命。

　　這些自適應(yīng)技術(shù)都需要更加智能的設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)和更加靈活的IP。設(shè)計(jì)人員需要一種辦法來(lái)詳細(xì)說(shuō)明功率意圖，即明確哪一個(gè)域由哪一個(gè)電源供電，哪一個(gè)域可被關(guān)斷，以及什么時(shí)候采用什么策略來(lái)保存關(guān)斷期間的狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員一般都希望這種設(shè)計(jì)意圖的確定與RTL無(wú)關(guān)，因?yàn)樘囟ǖ腞TL模塊在不同的應(yīng)用中可能有不同的功率意圖。

　　因此，實(shí)現(xiàn)工具需要設(shè)置功率意圖，并在適當(dāng)?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(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)緩沖，亦即，當(dāng)需要信號(hào)時(shí)緩沖器上電，不需要時(shí)關(guān)斷。這些路由規(guī)則中有一部分可能會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜。

　　簽核工具現(xiàn)在必須包含電壓依賴性時(shí)序和功率網(wǎng)格完整性。驗(yàn)證(規(guī)則的和動(dòng)態(tài)的)必須能夠處理因增加功率門(mén)控技術(shù)而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)行為的變化。IP供應(yīng)商也必須協(xié)助開(kāi)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(mén)控開(kāi)關(guān)。為了支持DVFS，還必須對(duì)單元庫(kù)進(jìn)行特性化以用于大電壓范圍，而不僅僅局限在一兩個(gè)特殊的工作點(diǎn)上。

統(tǒng)一功率格式

　　幸運(yùn)的是，業(yè)界主流公司已開(kāi)始聯(lián)手協(xié)作推出低功率解決方案，把更加自動(dòng)化的EDA工具、更靈活的IP、標(biāo)準(zhǔn)格式和功耗要求更嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)組織內(nèi)有一大批領(lǐng)先的半導(dǎo)體、EDA和IP公司聯(lián)盟正在積極開(kāi)發(fā)一種統(tǒng)一功率格式(UPF)。UPF提供了一個(gè)機(jī)制來(lái)描述與RTL無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)的功率意圖。它允許設(shè)計(jì)人員定義功率門(mén)控所需的功率域、隔離策略和保持策略。它還允許設(shè)計(jì)人員定義電平轉(zhuǎn)換器策略和功率狀態(tài)表，用來(lái)處理多個(gè)功率域。利用UPF，可以使全設(shè)計(jì)流程中的所有工具統(tǒng)一化，以實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證同一套功率降低策略。

　　在設(shè)計(jì)中與golden RTL協(xié)作，通過(guò)DVFS和功率門(mén)控技術(shù)，在全設(shè)計(jì)流程中系統(tǒng)化地使用UPF來(lái)降低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率。

作者：Mike Keating

高級(jí)技術(shù)專家

先進(jìn)技術(shù)部

Synopsys公司