数字集成电路动态功耗优化策略分析与评估

   芯华章持续助力第四届集成电路EDA设计精英挑战赛，并邀请华南理工大学王小航教授带来详细的赛题解析，希望能够帮助同学们更加从容应对赛事，赛出水平！  

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赛题背景分析

 低功耗设计是数字系统非常重要的考虑因素。为了支持低功耗设计，首先要对功耗进行计算。功耗可分为静态功耗（漏电流引起）和动态功耗（门翻转引起）。在本赛题中，我们主要考虑动态功耗的计算方法。  动态功耗的计算公式如下：    其中，VDD为电压，C为等效电容，Tr为翻转率，即单位时间内逻辑门从0→1或从1→0的翻转次数。我们可以把电压和等效电容近似视为常数，对于不同的电路负载，统计其Tr，就可以计算动态功耗。  这道赛题的目的，就是让大家通过VCD文件来统计一个电路负载的翻转率。  如何得到翻转率呢？我们回顾一下，在电路设计的时候，先设计其RTL（如verilog）代码，并编写testbench给出激励进行测试，如下所示：    用常见的仿真工具跑如上RTL代码和testbench，可得到如下的输出结果波形：  信号变化波形图（芯华章科技股份有限公司-Fusion Debug 提供）  仿真工具可以把上述波形输出VCD文件，类似：    好，现在重点来了。给定VCD文件（其实就是波形的文本表示），我们就可以统计翻转率，进而利用上述的功耗公式来计算动态功耗，它们之间的逻辑关系如下图：    在本赛题中，我们只关注如何从VCD文件（对应波形）到翻转率的解析。  

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赛题要点解析

 本赛题主要就是进行VCD文件的解析，然后根据题目的要求，得到不同的统计结果（如翻转次数tc，信号逻辑值为1的时间t1, 信号逻辑值为0的时间t0，信号逻辑值为x的时间tx，以及信号逻辑值为1的概率又称静态概率sp）、某个时间窗口的统计结果、不同层次信号的统计结果。  因此，首先需要定义一些数据结构表示信号时间序列，可以用数组或者vector等，将VCD文件读取、解析为这些信号时间序列变量，再针对这些变量进行统计分析，得到所需的输出。如下图所示：    

 2.1 VCD文件解析 

 VCD文件解析的思路如下：

• 首先扫描文件头，建立每个信号对应的数组或者vector。

• 将VCD文件看作是不同时间段的信号改变，对于一个时间段，扫描各个变量的值的变化，记录其变化，就构成了时间序列。

 

 这样，扫描完一个文件之后，各个变量随时间变化的序列就存下来了。  

 2.2 统计输出 

 有了信号的时间序列值，可以根据题目要求打印统计结果。主要考虑几方面：

• 翻转率等参数的计算，需要统计1和0的时间。

• 一个时间窗口的统计值，需要截取一个时间窗口进行计算。

• 层次化的信号，需要从文件中读取信号间的层次关系进行计算。

   

对于题目中的加分项，即给定VCD文件画波形，可以尝试采用matlab或者python等工具，生成一个数组和画图脚本，调用这些外部画图工具来画图。  

 2.3 多核加速 

 在题目要求中提到了多核加速，假如你的电脑有多个核，就可以用多线程方式加速。多核加速的本质是将任务划分到多个线程，让多个线程在多个核上同时运行从而提高计算速度。  加速方法有两种，一种是将文件读入到内存，然后将不同的行分配到不同的核/线程来处理，我们称之为横向划分；另外一种是将文件切分开分到不同的核，每个核处理文件的不同段，我们称之为纵向划分。    可以采用pthread或者openMP进行并行编程，需要注意线程间的同步和锁机制。  

 2.4 文件处理 

 当VCD文件很大时，为了减少一次性读入占用太多内存，可以每次读入一部分文件存在内存中，如用getline等函数每次读一行等。  

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建议解题步骤

 

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对VCD的基本语法先熟悉一下，如信号名字的对应关系，每一行表示什么含义等。

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实现VCD文件到信号时间序列变量的转换。这是一个文本逐行解析的过程。

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写统计分析的模块，每个模块对应不同的统计需求，相对独立。

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学习pthread或openMP多线程编程，学习如何创建线程、线程间如何同步、加锁等。

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用pthread或openMP提高你的程序的效率，这里需要并行划分程序。

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尝试一下不同的文件读取速度和占用内存情况，选择一个占用内存比较小的方式。

 

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其它注意事项

 大家在解题时还需要注意以下几点：  1）不要轻易放弃，题目本身难度不大，已经提炼成了算法题，前期的知识准备要花点时间；  2）一定要积极参加培训，很多知识其实一点就透；在没有相关背景积累的情况下学习会有一定的挑战性，但也可以补充很多知识；  3）要遵循循序渐进、从易到难的解题思路，切不可贪大求全让自己陷入到重重迷雾之中；  最后，预祝各位同学发挥出自己的水平，取得良好的成绩。   审核编辑 ：李倩