浅谈芯片低功耗的设计实现

众所周知，随着芯片越来越大，功能越来越丰富，以及移动市场的切实需求，低功耗的芯片设计，越来越受到推崇。这里，结合多年的低功耗设计经验，把一些理念和方法，分享给各位。

通过一些理论书籍，大家都知道功耗的来源主要分为两种，一种是动态，一种是静态。

先来看一下，动态功耗的计算公式为，

dynamic power = switching power + internal power

switching power 计算公式为：

由此可知，动态功耗和频率、关断时的负载电容以及电压的平方成正比，换言之，可以通过，改变频率、负载电容以及电压来改变动态功耗。

internal power 计算公式为

这里的tsc指的是NMOS/PMOS internal短路的时间。Ipeak指的是整个短路电流和导通电流的总和。

在实际的std-cell library里，工具使用了一个简化的查找表方式来处理internal-power，示例如下

P = func(input_transition, input_pin_condition, output_capacitance)

漏电功耗(leakage power)的计算模型

对应的漏电电流计算公式是：

这里的Vth， CoxW/L都是工艺相关，不可以调整，Vgs就是VDD，Vt指的是阈值电压。可以看到，阈值电压越高漏电功耗就越低，但是由于工艺复杂的增加，阈值电压越高的器件，对应的翻转速度就会变慢，导致影响性能

基于以上的理论，可以推导出下表：

下边就一起来看一下，目前的设计领域里边流行的那些降低功耗的技术手段吧。

clock gating

这个是一个在综合器里非常常用，也很通用的手段。总而言之，clock gating不但可以优化动态功耗，同时还可以优化面积(具有漏电功耗提高的可能)，这里也有一些别的数据作为参考

… reports an area reduction of 20% and a power savings of 34% to 43% depending on the operating mode

综合工具在自动插入clock gating的时候，把原有的data上的通用逻辑加以整合，挂到了clock 的EN控制端，这样就可以大幅度的节省面积，尤其是在多位宽的总线。反言之，在非常窄的总线上，clock-gating在面积和功耗上不一定会有效果，譬如小于三位的总线。

工艺演进

随着晶体管的尺寸越来越小，三极管导通所需要的电压也就越来越小了，从上边的表哥里边可以看到，降低电压，可以有效改变动态功耗的处境。

从40/28nm的0.99v到现在7nm的0.7v，通过改变工艺都可以有效降低动态功耗。相反，对于相同尺寸的die，工艺的提高预示着可以放置更多的管子。

芯片的功耗随着工艺的提高，呈现出整体放大的趋势，尤其是漏电功耗，如下图

先进工艺的性能和速度大幅度提高，追击先进工艺是大势所趋，但是相应的，现代芯片的功耗挑战，会比以往来得更猛烈。

power gating (可关断电源)

电压降低了，动态功耗确实可以变小，但是Vdd和Vth的差值会变得更小，Vth (阈值电压：MOS导通时所需要的的电压)更不可能一直毫无代价降低，所以，在实际的实现中，使用Switchable Power domain的方式，来整体关断某个或者某个区域、层级的器件，从而来降低整体静态功耗。这个实现电源控制的器件，就叫做power gating。

原理很简单，就是在当前的std-cell的PG rail上面加一个开关，通过外界信号来控制，从而达到可以std-cell电源的目的

仔细想一下，这种结构可以所在std-cell的内部，也可以做在power rail上，前者通常被叫做fine gating，后者会被称作coarse gating。第一种的设计效果更好，甚至可以具体到某一个std-cell的电源开关控制，但是std-cell面积会变大。第二种，显而易见，如果使用在rail上，精细度会变差，但是，面积会很有优势，具体的实现方法也会简化。具体的比较如下表：

结合实际，在正常的使用中，并非所有的std-cell都需要单独控制，大部分都是一个功能模块的整体调配，所以现在很多设计里边都会使用coarse gating而非fine gating的实现方法(如果真的使用fine gating，不知道后端实现工程师会不会咬人)

模块关断的方法可以大幅度降低leakage，但是也会带来一些新的挑战，主要是后端实现的时候：isolation，power switch 以及PG route都会有很大的变化。

除此之外，前端的low power仿真也需要格外注意，如果某些scenario没有考虑好，核心模块在不期望的时候被关断，那么会引起系统性问题的。具体加下表：

动态电压和频率调节(Dynamic Voltage and Frequency Scaling)和自适应电压调节Adaptive Voltage Scaling (AVS)

在当下，为了节省功耗，各位工程师也是拼了。在后端实现的不断调整和改变的同时，前端的TX们也没有闲着。DVFS就是一个基于设计，功能原理的有效降低功耗的一个典型方案。

在芯片的实际使用中，真实的使用场景会比较复杂，就拿手机而言，譬如

用户待机的时候，只需要网络连接可能就足够了

听歌的时候可能是不需要屏幕的支持

用户在拍照的时候网络的功能需求也不是很强烈

当你玩游戏的时候，CPU可能就要调度所有的硬件来支持游戏的流程运行，

通过不同的场景，芯片基于用户需求来适当的调度各个功能的使用和性能调节

这个示例是一个UART的构造框图，基于这样的一个逻辑架构，规划出不同的使用场景，从而可以展现出不同场景下面所需要的电压和频率。

最后可以定义出一个类似上边的一个表格，在系统判断出不同的使用场景后，就会配置出不同的电压和频率值，从而达到不同场景下的功耗优化的可能，这也就是常说的DVFS，类似于一种对于预定义场景的一种查找表的操作。

AVS是在DVFS上边更为先进的一种调整方式，框图如下：

和DVFS的简单查找表不同，这里会在系统里边集成一个PM(Performance Monitor)，对于系统的运行进行实时监控，通过判断，动态的调整电压和频率，这里可以引入一些自学习的功能，从而根据不同用户的使用习惯，来提供更为细致的自定制服务。可以设想，愈发细致的个性化服务，加之自学习的预判功能，都可以进一步的提高电源功耗的优化。

Vt cell的应用

从上一篇文章可以看到，不同Vt下的cell特性是不同的，现在的工艺都会提供不同倾向的Vt库，见下表

可以看到，合理使用不同的Vt cell可以满足不同PPA的需求，在使用过程中，应该优先使用SVT的cell，而后是LVT，最后万不得已的时候再使用ULVT(ULVT的leakage可不是一般的大啊，一般会达到SVT的四到五倍的量级)

工具可以完美支持mix-Vt的设计。工具的策略是，在功耗优化的过程中，根据用户设定的Vt等价置换规则，在不影响timing的情况下，选择leakage小的cell，这样在兼顾性能的时候可以满足power的需求。

由于，后端实现的时候，通常由三个阶段需要用到这个技术手段，这里给出一个通常的应用场景供大家参考

秘籍：一定要做最后一步，效果会非常显著，可以有效地提高leakage power。

版图优化

在版图实现当中，后端实现的工具是非常灵活的，低功耗的设计当中，经常会使用到power-domain和voltage-area这些技术来优化power，简单的讲，通过UPF，在设计里边定义一些switch-off power和always domain，在某些功能不使用的时候，就把SW domain关掉，这个时候，SW里的power-gating cell的输出会呈现出一个无线接近电源(footer power-gating)或者地(header power-gating)的状态，从而理论上确保了SW domain的leakage是零(但是，这是指理论的，由于power gating cell本身会有漏电的问题，所以零的漏电只是理论上的)。

这里可以引申出一系列的思路，版图工程师可以尽可能的让更多的cell放到SW domain，从而在实际使用的情境下，可以拿到更好的功耗。看一下这个例子：

一条路径，从SW1出发到达SW2，中间一共有四级，其中SW里边有一个buffer和一个isolation，AO里边，有两个buffer ，从power上讲，在SW1和SW2同时关断的时候，这两个AO的buffer，不会有任何的动态功耗(dynamic power)，这是因为SW1的isolation的输出已经被钳位(clamp)到无效态(一个常值)，但是这两个buffer的leakage power是不能省略的，所以下图的floorplan，从power优化上来讲一定是个更好的选择

可以看到，中间的级数没有发生改变，但是之前的buffer1和buffer2，都已经被放置到了SW domain了，这样，在SW关断的时候，这两个buffer的leakage power就是零(理论上)。这里只是一个连接和两个buffer的示例，实际中VA之间的连接非常复杂，通过版图的优化调整，可以让出更多的leakage power。

低功耗设计是一套完整的理论体系，从原理、代码、UPF、综合、版图等等，每个步骤的一点点提高，都会带来不同程度的优化，勿以优化小而不为，点点滴滴的进步就会造就更加节能的芯片实现。

审核编辑：汤梓红