芯片功耗组成—internal power与总功耗的理解

芯片的功耗主要分为静态功耗和动态功耗

一、静态功耗

静态功耗（漏电功耗）是指芯片待机状态下所产生的的功率消耗，来源于MOS管内部的泄漏电流；泄漏电流有多个组成部分：

• （1）亚阈值泄漏电流，IDS
• （2）栅氧化层隧穿电流，Igate
• （3）反偏二极管电流，Ireverse
• （4）漏极泄漏电流，IGIDL

因此总的漏电流：

Ileakage = IDS + Igate +Ireverse + IGIDL

Pleakage = Ileakage * VDD

二、动态功耗

动态功耗指的是由于MOS管状态跳变所产生的的功耗；动态功耗又分为开关功耗和短路功耗；

1.开关功耗

开关功耗是由于逻辑门翻转时对电容充放电所产生的的功耗；

以一个反相器为例，当输入信号从高电平变为低电平，电源VDD通过PMOS对输出电容（C L ）充电；

输出电容包括三个部分：门自身的输出节点电容C drain 、总的互联线电容C interconnect 、被驱动门的输入电容C input ；

• （1）这个过程从电源抽取的能量计算如下：iVDD和Vout是随时间变化的，在dt的时间范围内，

由于Vout达不到VDD，因此将CL充电至VDD需要无穷大的时间，充电过程的消耗的总能量为：

• （2）对于电容CL来说，在dt的时间范围内，其消耗的能量为：

在这个过程中，电容CL消耗的总能量为：

由（1）（2）可以看出，电源在一个充放电周期（放电过程中不消耗电源能量）中提供的总能量为C L *VDD ^2^ ；其中一半以热的形式在充电过程中被消耗在PMOS上，另一半储存在电容CL中；储存在电容CL中另一半在放电过程中被NMOS消耗掉；

如果反相器每秒开关favg次，则功耗为：Pavg，sw = EVDD / T = C L *VDD ^2^ *favg

其中T为周期，favg为开关频率；

1> 引入节点转换因子α T ，代表单位时钟周期内逻辑门的翻转概率，因此实际的开关频率favg低于时钟频率f CLK ，favg = α T *fCLK

考虑到电源网络的IR drop，逻辑门的电源Vi实际上要小于电源VDD 因此，功耗的公式改写为：

Pavg，sw = (α T *C L *V i )VDDfCLK

每次充电或放电一次，动态功耗P dynamic，sw ：

Pdynamic，sw = 0.5 Pavg，sw = 0.5 (α T *CLV i )VDDfCLK ~= 0.5α T *f CLK *C L *VDD^2^

2.短路功耗

上面的讨论中，输入信号上升和下降时间为0，当输入信号存在slew时，存在短时间内PMOS和NMOS同时导通的过渡区，从VDD到VSS形成直流通路，从而产生的能量损耗P sc ；

如下图所示，NMOS在Vin > VTnmos后开始导通；而PMOS在电压达到VDD – VTpmos之前一直导通，在这段时间内PMOS和NMOS同时导通；

常用三角形脉冲模拟电流随时间的变化，每经过一个开关周期0 -1 -0所消耗的能量为：

Esc = Escr + E scf ，其中Esc和Escf分别为输入信号上升和下降期间的由短路电流所消耗的能量；消耗的能量就等于i(t)曲线下的面积和VDD的乘积；

因此， Escr = Escf = 0.5*VDD *I peak *tsc

总能量 Escr = VDD* I peak * tsc

一个周期内的平均功耗为Psc = E sc /T =E sc *f = VDD * I peak *t sc *f = C sc *VDD ^2^ *f

其中，Csc为过渡区等效电容；f为输入信号Vin的电平跳变频率；

3.internal power与总功耗

由上述讨论可知,

Ptoal = Pleakage + Pdynamic = Pleakage + (Pdynamic，sw + P sc )

在实际应用中将开关功耗分为器件功耗和网线负载功耗两部分：

Ptoal = Pdevice + Pnet

（1） Pnet为在网线上消耗的功率；对于电容的充放电，实际上只有半个周期会消耗功率，取节点转换因子αT为0.5，因此：

Pnet = 0.5* CL *VDD ^2^ *Tnet

其中CL为三部分组成的电容；Tnet为net的翻转率；

在net上消耗的只有动态开关功耗；

（2）其中 Pdevice = Pleakage + Pinternal

其中，Pinternal 包括动态开关功耗Pdynamic，sw的一部分和全部的P sc ；

器件的动态功耗包括短路功耗和动态开关功耗两部分；

因此，Ptoal = Pleakage + Pinternal + Pswitch

（这里用Pswitch替代P net ，switch power是更通用的说法）

Pinternal 包括动态开关功耗Pdynamic，sw的一部分和全部的Psc

上面的解释来自《数字集成电路物理设计》，个人理解这句话是没有问题的，但是此时Pnet中的CL就不是三部分组成的电容了；

见下图（liberty ug）： 如果lib中output pin上没有capacitance，那么由output pin capacitance带来的影响已经被考虑到internal power中了；

因此，可以将internal power理解为发生在cell内部的功耗；

4.lib中的功耗

1.漏电功耗

下图为库中的漏电功耗，漏电功耗与单元的状态有关，即stage dependent（SD）；

基于输入电源的leakage信息：

• leakage_power_unit：工具根据Leakage_power_unit属性确定单位；
• leakge_power：定义状态相关（when）的漏电功耗，如上图中的!A&!B表示当A=B=0时，leakage power的值；
• cell_leakge_power：如果某个状态在leakge_power中未定义，则使用cell_leakge_power的值；

总的漏电功耗，由每个状态下的漏电功耗乘以该状态下的总仿真时间的百分比，并求和得到每个单元的总漏电功耗；

由于leakage_power是状态相关，堆叠效应（stack effect）可以降低leakage_power。

例如将一个MOS管强制拆分成2个堆叠的MOS管，2个堆叠的MOS管有相同的输入；

2.internal power

internal power与状态有关，与路径有关，即即stage dependent path dependent（SDPD）

• （1）单输入的cell，internal power为input transiton和output load的二维表；

这里的internal power是定义在输出端的，包括两部分，rise_power和fall_power；

例如下图中定义了从A pin到Z pin的internal power；

-（2）对于多输入的组合逻辑门如nand，xor等；

这类cell在特定条件下某一个或者几个pin的输入值对输出不造成影响，在lib中定义在input pin，input pin的internal power只与该pin的input transition相关（也叫hidden power）；

例如当nand的B输入为0时，不管A的输出是什么，最终输出都是0。此时尽管A对输出没有贡献，但是它仍然会消耗一部分功耗；

当B为1的时候，从A pin到Z pin的internal power同样也是二维查找表；

-（3）对于时序逻辑单元 -CK pin即使在锁存的数值没有变化的时候仍然会消耗能量；

3.internal power的建模方式

• 在PTPX ug中有如下描述，PTPX默认lib中的internal power计算公式为formula 1和formula 2；

​ 由于switch消耗的总能量switch_energy为C L *V^2^

在这种方式中，0.5 * switch_energy算在了上升沿，0.5 * switch_energy算在了下降沿；而实际上switch_energy只发生在对上升沿电容充电过程中，此时得到的值并不代表真实的internal power值；

-另外一种计算方式如下formula 3和formula 4

​关于如何判断：如果lib中internal power的fall power多为负值，那么为第一种方式；

4.internal power的单位

lib中internal power不是功率，而是消耗的能量，因此单位是焦耳而不是瓦特；

由3.中的式子可以看出，internal power的单位与CV^2^相同；

在lib中，电容C单位为Pf，电压单位为V，因此internal power的单位为Pf*V = PJ