如何在设计早期进行有效的功率评估

为了达到先进技术节点(90nm及以下节点)中的功耗目标，设计工程师常常采用断电(PSO)和多电源电压(MSV)架构等先进的省电技术。但是只有在设计周期的架构阶段考虑这些技术时，才能得以实现。因此，在设计项目的早期进行功率评估至关重要。

以下是针对在项目早期进行功率评估时的五条建议(以最少的工作量确保合理的精确性)：

1. 确定你的设计中耗费功率的元器件；

在项目早期，设计团队应对耗费功率的元器件进行划分。这种评估非常简单，甚至可以在完成RTL之前采用电子数据表进行。这里的关键在于了解哪些元器件是规格固定的，哪些元器件受那些省电技巧的影响。例如，I/O功率是规格固定的。存储器功率也可能由规格固定，但是闲置时可以断电。如果大部分功率由时钟消耗，那么设计工程师应着重针对时钟门控进行省电技巧的部署。

此外，评估每个元器件的泄漏功率与动态功率比也非常重要，这样设计工程师能够选择利用合适的省电技巧。MSV和时钟门控在降低动态功率方面非常有效，PSO则用来降低泄漏功率。

如果RTL可用，设计工程师甚至可以在将设计综合到技术门之前进行RTL功率分析。这种分析的精确度比不上门级分析，但是它会让设计工程师迅速了解采用一种给定技巧所能实现的潜在节电量。例如，如果X区块可在65%的时间内处于断电状态，或者如果Y区块工作于0.8V (而不是1V)时，能够节省多少功率？

如果功率分析引擎与综合引擎集成在一起，设计工程师还可以确定设计定时上降低的电压的影响。基于RTL的分析的快速转变允许设计团队在流程早期找到最适宜的电源架构。

2. 采用精确的开关行为数据；

精确的数据对于精确的功率分析非常关键。要获得精确的功率分析，需要仿真对实际系统因素进行精确建模的测试案例。但是，在许多设计流程中，这种仿真直到设计周期的后期才可用。

为了确保精确的功率评估，需要采用在设计流程的任何给定点获得的最精确数据，并且需要随着不断提供的新数据对评估进行修改。或许设计工程师可以从系统级行为仿真中抽取数据或者采用仿真加速硬件来在项目早期获取有用数据。

如果仿真无法提供开关行为数据，设计工程师应对芯片的主要输入端的开关行为进行评估，并将该评估应用到功率分析工具中。大多数功率分析工具都能够将开关行为数据贯穿组合逻辑和顺序逻辑。这是另一个相当出色但通常被忽视的依赖于工具的缺省值的备选方案。

3. 生成开关行为时考虑仿真模式；

当生成开关行为时，仿真模式是一个要考虑的重要因素。许多设计工程师都认为，门级仿真产生的开关行为将始终比RTL仿真产生的开关行为获得的功率评估更精确。这种观点并不正确。零延迟门级仿真将不考虑组合逻辑中发生的任何普通小故障，因此将始终产生乐观的功率计算。如果设计团队坚持采用门级仿真进行功率分析，可采用基于SDF延迟的门级仿真。

4. 采用精确的线路模型；

精确的线路建模是早期功率评估的基础。每个设计工程师都了解当时序收敛时线负载模型的不精确情况。但是许多设计团队仍然采用“零”线负载模型进行综合。这将导致产生不精确的功率评估。采用合理的线负载模型，最好采用目前的综合工具中提供的其中一种“基于物理”的线建模技术。

5. 采用表示最坏情况功率的库。

综合通常采用最坏情况时序库进行，但是这些库并不表示最坏情况功率。动态功率通常在快速条件下(高压、快过程、低温)最高，这可以用“最好情况”时序库表示。但是泄漏功率一般随温度增加而提高。在90nm及以下节点，泄漏功率相当大，最好从你的供应商处获取表示最坏情况动态和泄漏功率的特殊库。

设计工程师必须在项目早期开始评估功耗。在整个设计流程中精确地评估功率将需要设计工程师做大量工作，而本文概述的技巧将有助于设计工程师高效而精确地达到他们的目标。

作者：Brad Miller

高级技术主管

Cadence Design Systems

Email：bmiller@cadence.com