簡單的Voltus功耗分析

數(shù)字電路到了一定規(guī)模，把數(shù)字電路網(wǎng)表轉成原理圖，通過跑Spectre/Ultramsim仿真來獲得功耗就變得mission impossible了。新的運算工具應運而生。Voltus的前生是EPS (Encounter Power System)，是一款非常優(yōu)秀的功耗分析工具。

數(shù)字電路功耗包括下面三個部分。

1. Switching power

這部分功耗來自各個標準元之間的連線interconnect的充放電。描述這部分功耗的經(jīng)典公式是。這里F代表頻率，A代表average switching activity。

從這個經(jīng)典公式可以衍生出有趣的問題？如何降低switching power呢？通常CL在前端設計中無法控制。電路的F是設計指標決定的，也改不了。前端設計能改變的只有A。這時前端設計中引入clock gating就很有必要了。當然，有些使用場景可以降低V，但實現(xiàn)起來有些困難的，需要供電電路能配合，需要庫在不同電壓下characterize?？傮w來說，降低A是前端設計最直接最有效的降低switching power的方法。

2. Internal power

這部分是標準元內(nèi)部由switching造成的功耗。工具根據(jù).lib里的數(shù)據(jù)計算這部分功耗。下面是一個AND gate的例子。

輸入A變化引起的功耗。工具根據(jù)輸入A的transition time查詢rise_power, fall_power表。這個例子簡化了一些。通常這兩個表中的數(shù)據(jù)多幾個，工具插值計算更精確一些。

輸出Y的變化可以是輸入A變化引起的，也可以是輸入B變化引起的。Y的internal power相對復雜一些。這里rise_power，fall_power的表是二維的。工具根據(jù)相關輸入的input_transition_time，Y輸出的total_output_capacitance來查詢這幾個表。

標準元的internal power本質上依然是電路中各個節(jié)點的switching引起的。設計中盡量降低各個節(jié)點的switching可以有效地降低相聯(lián)標準元地internal power。

3. Leakage power

這部分就是常說的漏電。即使電路處于靜止狀態(tài)，沒有時鐘，沒有任何switching，這部分功耗依然存在。在低功耗待機狀態(tài)下，如何降低漏電功耗是設計挑戰(zhàn)。

工具計算漏電功耗也是根據(jù).lib中的數(shù)據(jù)。下面是一個AND gate例子。這里可以看到leakage power是和A，B輸入的狀態(tài)有關的。A，B同時為高電平時leakage power最大，43.7371。如果A，B電平無法確定，工具取平均值，即第二個框里的33.4556。

Voltus雖然有幾個工作模式，但各個模式下功耗的算法依然遵循上面分的三類。各個模式的區(qū)別只是設置而已。

Voltus static power

Voltus static power本質上算的是電路的平均功耗。

Voltus static power要求用戶提供各個輸入的activity。工具根據(jù)用戶提供的activity，加上SDC文件內(nèi)時鐘的定義，就可以推算出內(nèi)部各個節(jié)點的activity，再配合SPEF文件內(nèi)各個連線的RC，就可以算出這個電路的switching power。同時，工具也知道內(nèi)部每個標準元的輸入輸出特性，各個標準元的internal power也就可以算出來了。

Voltus static power理論上可以算得蠻準的，但實際操作上是有陷阱的。如果用戶提供的activity不準，計算的結果就偏離了。很多時候，默認的activity 0.1可能過于悲觀，造成static power也過于悲觀。

Voltus dynamic power

Voltus dynamic power本質上是計算瞬時峰值功耗，分兩種方法，vectorless或vector-driven。Vectorless估算每個節(jié)點的activity，意義不大，這里就略過了。Vector-driven采用VCD標注內(nèi)部各個節(jié)點的activity。VCD來自于后仿。VCD中每個節(jié)點的activity和實際電路時一一對應的。顯然，使用VCD的dynamic power可以算得很準。通常VCD文件可以記錄整個電路完整的運行過程。但對于峰值功耗，通常只需要取VCD中的一小段時間。這里需要注意的是，指定的這一小段時間必須對應的是activity最集中的時間段。如果自己是電路的設計者，應該知道哪一段時間activity最多。另一個方法是先取比較長的一段時間跑一次dynamic power，在Voltus里調用Simvision打印出VDD電流，根據(jù)VDD電流波形選擇峰值時間段。隨后在這個縮短的時間段再跑一下dynamic power，生成power database，供后續(xù)的IR drop分析使用。

這里引申出一個有趣的問題。Voltus dynamic power能否像S家的PTPX一樣用來算電路的功耗呢？當然是可以的。功耗基本的算法就是那三類，本質上是一樣的。Voltus dynamic power里VCD時間段取得和PTPX功耗分析VCD時間段一樣，兩者計算出來的結果在2-3%以內(nèi)。個人認為Voltus dynamic power設置對了，Voltus static power就沒必要了，PTPX也可以替代了。這樣做有個小小的缺陷。通常算average power需要取比較長的時間段。這樣跑Voltus dynamic power生成的power database非常龐大。后續(xù)的Voltus IR如果還用這個龐大的power database，基本就跑不動了。解決方法也很簡單。就像上面提到的，取縮短的時間段再跑一次dynamic power，生成對應峰值電流的power database，隨后用這個小很多的power database跑IR。

審核編輯：黃飛