SoC系統(tǒng)功耗評估方法*

楊瑞瑞，唐偉文

（成都三零嘉微電子有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

應(yīng)用于便攜式、手持設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等環(huán)境的低功耗或微功耗SoC芯片，對功耗指標的要求非常嚴格。如果芯片實際功耗消耗值不能滿足能耗比指標要求，那么即使芯片功能沒有問題，但由于功耗消耗過大也將無法進行推廣應(yīng)用。所以，SoC集成電路功耗控制，在低功耗芯片的設(shè)計中至關(guān)重要。

低功耗芯片設(shè)計過程中，在方案階段采用低功耗架構(gòu)、RTL代碼設(shè)計時采用低功耗設(shè)計電路，在后端設(shè)計中采用低功耗的設(shè)計流程等，以保障芯片的能耗比滿足設(shè)計需求。但是，如何確定采取低功耗策略的電路是否滿足指標要求、是否可以進入下一步的設(shè)計流程是關(guān)鍵。因此，在每個階段的設(shè)計中，通過功耗評估方法驗證采用的低功耗策略是否滿足要求至關(guān)重要。

1 功耗評估技術(shù)概述

本文針對設(shè)計過程中的功耗控制，提出在三個階段進行功耗評估，分別是方案階段功耗評估、RTL代碼階段功耗評估以及流片前簽核階段的功耗評估。在每個階段進行的功耗評估方法不同，得到的準確度將不同，達到的目的也不同。表1介紹了在芯片全流程設(shè)計過程中，在不同設(shè)計階段進行的功耗評估。

圖1 低功耗芯片設(shè)計流程

方案階段進行的功耗評估，主要使用公式計算的方法。此階段評估值誤差較大，但能夠輔助確定方案設(shè)計的合理性，驗證所選擇工藝平臺的正確性，與設(shè)計結(jié)果不產(chǎn)生較大差異。

RTL階段的功耗評估，是在電路功能設(shè)計完成后，通過專業(yè)的功耗評估工具，加入合理的約束，通過不同應(yīng)用模式激勵產(chǎn)生的波形，得到比較準確的邏輯門翻轉(zhuǎn)率，從而對不同應(yīng)用模式的功耗進行評估。此階段的評估準確率可達70%。

后端物理版圖設(shè)計完成后簽核階段的功耗評估，是流片前的最后一次功耗評估。由于后端版圖設(shè)計完成后，用于功耗評估的門電路是芯片實際物理門電路，因此準確率可達85%～90%。評估方法是讀入后仿網(wǎng)表和SDF反標文件，產(chǎn)生不同應(yīng)用模式激勵下的后仿波形，得到準確的物理門電路翻轉(zhuǎn)率，通過專業(yè)工具計算得到功耗值。下面對三個階段的功耗評估方法分別做詳細介紹。

2 方案階段功耗評估方法

首先要分析功耗的來源和組成部分。在一個完整的SoC設(shè)計電路中，功耗從頂層劃分主要有三部分：

其中，Pdigital是芯片中使用的模擬IP在工作時消耗的功耗，模擬部分的功耗值通過查詢模擬IP的數(shù)據(jù)手冊獲得，數(shù)據(jù)手冊會詳細介紹模擬IP工作在不同模式或者不同配置下的功耗值。Pdigital是芯片中數(shù)字標準單元部分的功耗消耗值，工作電壓為內(nèi)核電壓。Ppad是芯片管腳在工作時消耗的功耗值，當芯片與外部通信時，芯片的管腳會進行翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生功耗。當然，如果芯片工作的場景只有內(nèi)部模塊在工作，接口不進行數(shù)據(jù)傳輸，那么Ppad只產(chǎn)生較小的漏電功耗。

按照理論公式計算[1-2]：

其中f是系統(tǒng)工作頻率；A是跳變因子，即整個電路的平均翻轉(zhuǎn)比例；C是門電路的總電容；V是供電電壓；τ是電平信號上升/下降的時間；Ileak是漏電電流；Pswitch是跳變功耗，是器件在工作過程中對電容充放電形成的；Pshortcircuit是短路功耗，是器件在工作時由電源到地形成的通路造成的；Pleakage是漏電流功耗，也叫靜態(tài)功耗，是由亞閾值電流和反向偏壓電流造成的。

假設(shè)已經(jīng)選定某一工藝平臺，如果使用式（2），其中門電路的電容C以及電平信號上升/下降的時間τ，基本無法填入合適的值。因此，本文使用其他方法完成內(nèi)核功耗的評估。在本階段進行功耗評估計算，需要已知芯片設(shè)計的電路門數(shù)（大部分數(shù)字IP具備繼承性，可以獲得電路的門數(shù)，文中使用的計算單位為最小二輸入與非門NAND2）、工作模式頻率以及芯片管腳在工作模式時的使用情況。查詢工藝庫里面最小二輸入與非門NAND2短路功耗表，結(jié)合工作頻率進行如下計算：

其中k1表示電路工作時的翻轉(zhuǎn)率，即由于翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生短路功耗門電路的比例，根據(jù)經(jīng)驗，值為1/20；N表示電路的等效門數(shù)；f表示電路的工作頻率；Pshortcircuit_nand2表示工藝庫中最小二輸入與非門NAND2的短路功耗，可以通過查工藝庫獲得；k2表示翻轉(zhuǎn)功耗與短路功耗比，根據(jù)經(jīng)驗，值為（0.8～1）；Pleakage_nand2表示工藝庫中最小二輸入與非門NAND2的漏電功耗，可以通過查工藝庫獲得。

以SMIC55nm LL工藝為例，門電路約90萬邏輯門，工作頻率為50 MHz。查詢工藝庫中NAND2的短路功耗為0.002 825 pW[3]，漏電功耗為23.39 pW[3]，代入公式得到內(nèi)核工作時的功耗值：

查詢工藝庫中使用管腳庫的短路功耗表，結(jié)合工作頻率，評估芯片管腳 PAD 的工作功耗：

其中k1表示PAD工作時的翻轉(zhuǎn)率，根據(jù)經(jīng)驗，值為1/20；N表示工作PAD的個數(shù)；f表示PAD工作的時鐘頻率；Pshortcircuit_pad表示工藝庫中PAD工作時產(chǎn)生的短路功耗，可以通過查工藝庫獲得；C為等效電容，根據(jù)經(jīng)驗，值為20 pF；V為PAD工作電壓，一般為3.3 V/2.5 V；Pleakage_pad為PAD的漏電功耗，可以通過查工藝庫獲得。

以SMIC55nm LL工藝為例，4個PB8的管腳工作，工作頻率為50 MHz。查詢工藝庫中PB8的短路功耗為99.32 pW[3]，漏電功耗是0.012 49 μW[3]，代入公式計算得到管腳PAD工作時的功耗值：

最后，通過查詢數(shù)據(jù)手冊，獲得模擬IP工作時的功耗值，將三部分相加，獲得總的Ptotal功耗值。本階段的功耗評估通過公式計算以及引入一些經(jīng)驗值，方法簡單，準確率較低，主要目的是確認低功耗芯片方案階段所使用的工藝、電路規(guī)模、以及工作頻率的合理性，為后期設(shè)計打下基礎(chǔ)。

3 RTL代碼階段功耗評估方法

代碼階段的功耗評估，是在RTL代碼設(shè)計完成后，對應(yīng)用場景下功耗消耗的評估，準確率比方案階段高。如果在本階段評估數(shù)據(jù)與指標存在非常大差距，可以及時更改設(shè)計，造成較小的迭代。

使用的評估工具是Spyglass。在Spyglass工具中對代碼進行綜合，工具將RTL代碼綜合成門電路網(wǎng)表，然后讀入應(yīng)用場景激勵下生成的VCD或者FSDB波形，對門電路進行反標，獲得門電路在應(yīng)用場景下的翻轉(zhuǎn)率，讀入工藝庫進行計算，得到功耗消耗值。

使用Spyglass進行功耗評估的基本語法為[4]：

本階段的功耗評估值準確率約為70%。如果評估結(jié)果能夠滿足指標要求，設(shè)計進入下一步后端布局布線生成物理GDS版圖。

4 簽核階段功耗評估方法

簽核階段功耗評估是最接近真實功耗消耗的數(shù)據(jù)，因為此時的門電路核線延時均是物理實際電路，得到的評估值也是最準確的。本階段功耗評估數(shù)據(jù)準確率可達85%～90%。

本階段采用PTPX工具進行功耗分析，方法是將完成后端布局布線、時序收斂后的版圖提取出后仿網(wǎng)表和反標SDF文件，應(yīng)用后仿環(huán)境產(chǎn)生不同應(yīng)用場景激勵下的VCD或者FSDB波形。在PTPX工具中讀入已產(chǎn)生的波形，對物理門電路進行映射，獲得門電路在應(yīng)用場景下的真實翻轉(zhuǎn)率，讀入工藝庫進行計算，得到功耗消耗值。

下面以SMIC55nm LL工藝為例，介紹使用PTPX工具評估典型環(huán)境下功耗消耗的基本語法[5]：

通過讀入不同環(huán)境參數(shù)的工藝庫，可以計算出不同環(huán)境下的功耗結(jié)果，如表1所示。

經(jīng)過工具計算不同測試環(huán)境下的功耗值，若達到預(yù)期目標，可以進行芯片流片。

表1 測試環(huán)境電壓和溫度

5 結(jié) 語

在低功耗SoC芯片設(shè)計過程中，通過以上三個階段的功耗評估，不僅可以保證超低功耗芯片設(shè)計的成功，而且能夠保證芯片設(shè)計流程的順暢，無需巨大的芯片設(shè)計迭代，保障了芯片流片的成功。