SoC功耗是一個(gè)關(guān)鍵的差異化功能

設(shè)計(jì)的初始估計(jì)功率通常小于硅上的功耗。這是因?yàn)闆](méi)有可用的功率估計(jì)流可以準(zhǔn)確地將功率估計(jì)結(jié)果與硅結(jié)果相關(guān)聯(lián)。此外，對(duì)于涉及許多新設(shè)計(jì)功能的部件和IP塊，確切的門(mén)數(shù)詳細(xì)信息很難在流程的早期預(yù)測(cè)。

除了更準(zhǔn)確的功率估算流程外，還需要RTL級(jí)功耗估算，提供減少的機(jī)會(huì)在設(shè)計(jì)初期就有力量。本文討論了功率估計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，以及RTL級(jí)的功率估計(jì)流程，每個(gè)設(shè)計(jì)IP和IP的人都應(yīng)該知道。 SoC。

首先我們將討論功率估算流程中使用的一些術(shù)語(yǔ)：

靜態(tài)泄漏功率：它是門(mén)時(shí)消耗的功率沒(méi)有轉(zhuǎn)換。它是由流過(guò)晶體管的電流引起的，即使它們被關(guān)閉也是如此。它不僅取決于電路的物理參數(shù)，還取決于提供給電路的輸入，這意味著當(dāng)輸入狀態(tài)變化時(shí)泄漏功率會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)相關(guān)的泄漏功率。

動(dòng)態(tài)電源：當(dāng)電路處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)執(zhí)行某些功能時(shí)消耗的功率。它進(jìn)一步分為兩個(gè)部分：開(kāi)關(guān)和內(nèi)部。

開(kāi)關(guān)電源：在電池輸出端對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電和放電時(shí)會(huì)耗散。負(fù)載電容由互連（凈）電容和網(wǎng)絡(luò)連接的柵極電容組成。

內(nèi)部或短路電源：電池內(nèi)消耗內(nèi)部電池電容的功率。在邏輯轉(zhuǎn)換期間，P和N型晶體管都在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通，從而導(dǎo)致從Vdd軌到地軌的直接連接。

標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)：標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)是低級(jí)電子邏輯功能的集合，例如AND，OR ，INVERT，觸發(fā)器，鎖存器和緩沖器。使用技術(shù)庫(kù)的單元，綜合工具執(zhí)行將寄存器傳輸級(jí)別（RTL）描述轉(zhuǎn)換為依賴于技術(shù)的網(wǎng)表的過(guò)程。此過(guò)程類似于將高級(jí)C程序列表轉(zhuǎn)換為依賴于處理器的匯編語(yǔ)言列表的軟件編譯器。網(wǎng)表是邏輯視圖級(jí)別的RTL的標(biāo)準(zhǔn)單元表示。它由標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)門(mén)的實(shí)例和門(mén)之間的端口連接組成。適當(dāng)?shù)暮铣杉夹g(shù)確保了合成網(wǎng)表和原始RTL描述之間的數(shù)學(xué)等價(jià)。網(wǎng)表不包含未映射的RTL語(yǔ)句和聲明。典型的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)包含兩個(gè)主要組件：

a）庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù) - 由許多視圖組成，通常包括布局，原理圖，符號(hào)，抽象和其他邏輯或模擬視圖。

b）時(shí)序摘要 - 通常采用Liberty格式，為每個(gè)單元提供功能定義，時(shí)序，功率和噪聲信息。

線負(fù)載模型：它用于綜合以解決物理延遲。它包含一個(gè)查找表，可以提供線電阻，線電容和每單位長(zhǎng)度的面積，可以從扇出中進(jìn)行插值。

功率估算流程

對(duì)于RTL功率估算，我們需要以下輸入：

a）設(shè)計(jì)文件
b）包含在合成設(shè)計(jì)時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)單元的庫(kù)
c）線載模型給出寄生信息（電容和電阻值）
d）模擬信息：VCD/FSDB/SAIF
e）功率估算工具

本文采用簡(jiǎn)單的AND門(mén)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用估計(jì)流程，以便更深入地了解數(shù)字的計(jì)算方式。針對(duì)相同的AND門(mén)采用各種活動(dòng)簡(jiǎn)檔并比較結(jié)果。所有分析均在C55FG技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)上進(jìn)行，在溫度（150°C），電壓（1.08V）和最壞情況下運(yùn)行。

情況1：采樣周期為2ns（與AND門(mén)（A，B）的輸入和AND門(mén)（Z）的輸出相比，被認(rèn)為是最快的切換信號(hào)）計(jì)算輸入和輸出的活動(dòng)。

活動(dòng)定義為信號(hào)相對(duì)于最快信號(hào)周期數(shù)的周期數(shù)。例如，

A，B，Z的1個(gè)周期是5個(gè)最快信號(hào)周期（采樣信號(hào)）= 1/5 = 0.2

概率定義為信號(hào)的時(shí)間在整個(gè)模擬期間（高）。

A，B，Z在10個(gè)采樣信號(hào)周期中（高）一半時(shí)間。

案例2：在此職責(zé)周期中，輸入A（25％）發(fā)生變化。

因此，活動(dòng)與周期數(shù)保持一致A的采樣周期相同。 A的概率由于現(xiàn)在在10個(gè)采樣信號(hào)周期中為25％（高）并且類似地為Z，因?yàn)閆 = A＆amp; B。

案例3：在這種情況下，輸入B反轉(zhuǎn)為A.因此，Z的活動(dòng)為0而A和B的活動(dòng)是相同。概率相同。

注意：由于輸入A和輸入A在Z上觀察到毛刺，可能會(huì)有一些開(kāi)關(guān)功率AND門(mén)上的B同時(shí)切換。 RTL級(jí)別的模擬不會(huì)處理因輸入延遲不同而發(fā)生的故障。

以下是上述情況的結(jié)果：

觀察

1）切換功率取決于輸出（Z）的切換，因此在情況3中，當(dāng)Z的活動(dòng)為0（在主輸入存在的情況下）為0時(shí)，它為0。

2）此外，通過(guò)從與index1對(duì)應(yīng)的庫(kù)中的查找表中選取值來(lái)計(jì)算內(nèi)部功率：轉(zhuǎn)換速率和index2：電容值。

3）在查找表中用于計(jì)算p的庫(kù)ower數(shù)，A和B的內(nèi)部功率為0，因此內(nèi)部功率取決于凈Z（輸出）的內(nèi)部功率。

4）內(nèi)部功率也取決于活動(dòng);因此，當(dāng)Z的活動(dòng)為0時(shí)，它為0。

5）使用的庫(kù)具有狀態(tài)相關(guān)的泄漏功率，當(dāng)我們改變信號(hào)A的占空比以包括不同的AND狀態(tài)時(shí)，在情況2中可以看到門(mén)。

RTL功率估算與門(mén)級(jí)網(wǎng)表功率估算

以下電路用于分析：

觀察

RTL級(jí)使用的綜合算法與門(mén)級(jí)網(wǎng)表不同。

在RTL級(jí)別估計(jì)時(shí)，遵循區(qū)域最小化算法。因此，與實(shí)際網(wǎng)表相比，在RTL合成中選取的單元面積較小。

在網(wǎng)表級(jí)別，遵循泄漏功率最小化算法。因此，與實(shí)際網(wǎng)表相比，在RTL合成時(shí)拾取的單元的泄漏功率更大。

與門(mén)級(jí)功率估算相比，我們有網(wǎng)表，由標(biāo)準(zhǔn)單元組成，自由文件具有這些標(biāo)準(zhǔn)單元的功率數(shù)，線負(fù)載模型具有互連電容信息，切換活動(dòng)，時(shí)鐘樹(shù)信息和操作條件。在RTL級(jí)別，缺少一些信息，特別是門(mén)級(jí)網(wǎng)表，時(shí)鐘樹(shù)信息，布局，時(shí)序等。

對(duì)于RTL功率估算流程，我們使用可以創(chuàng)建門(mén)的邏輯綜合引擎設(shè)計(jì)的水平模型以與實(shí)際合成相同的方式在設(shè)計(jì)周期中創(chuàng)建。這是因?yàn)楣β使烙?jì)工具進(jìn)行粗略綜合，而不是綜合工具可以做的詳盡。因此，需要向RTL功率估計(jì)工具提供如上所述的進(jìn)一步信息，以便復(fù)制門(mén)級(jí)流的實(shí)際合成環(huán)境。

例如，為了估計(jì)時(shí)鐘樹(shù)功率，我們需要來(lái)自綜合工程師。我們需要知道將使用哪些緩沖區(qū)以及它們的扇出將是什么。如果我們可以從網(wǎng)表中獲得每個(gè)時(shí)鐘域的觸發(fā)器數(shù)量，那么我們可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器的緩沖器數(shù)量，即觸發(fā)器除以扇出數(shù)量，將是最終數(shù)量時(shí)鐘緩沖區(qū)。然后我們可以重復(fù)相同的過(guò)程來(lái)獲得時(shí)鐘樹(shù)的其余部分。這當(dāng)然不是最準(zhǔn)確的方法，但這有助于建立實(shí)際的合成環(huán)境。

結(jié)論

精確的功率估算在RTL中至關(guān)重要水平，以便找到耗電的細(xì)分市場(chǎng)，并應(yīng)用低功耗架構(gòu)和技術(shù)。雖然RTL的數(shù)字不如合成后的數(shù)字準(zhǔn)確，但趨勢(shì)與兩者相關(guān)。