設(shè)計和驗證團(tuán)隊不得不重新配置，以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，同時平衡降低功耗帶來的投資回報率與改進(jìn)設(shè)計或更便宜的產(chǎn)品。"功耗感知設(shè)計至關(guān)重要，并得到了很多關(guān)注，但根本不是一個簡單的過程，"Arm公司杰出工程師James Myers說。"這也是完全不同的，取決于設(shè)計的種類。"

 

這推動了人們對這個問題的大量關(guān)注。"每一個客戶都對功率感興趣，"Cadence的產(chǎn)品管理總監(jiān)Rob Knoth說。"但功率的含義會隨著每一次對話而改變。有的產(chǎn)品以消耗多少電量而生，也有的產(chǎn)品以消耗多少電量而死。其他人則更關(guān)心他們將需要多少臺空調(diào)，或者他們是否能從環(huán)境能源中為設(shè)備供電。他們都會通過不同的視角來看待電源和功率錯誤。"

 

定義電力蟲子聽起來很簡單，但它是什么呢？"我們將電源錯誤定義為不希望的功耗，"Ansys公司PowerArtist產(chǎn)品管理負(fù)責(zé)人Preeti Gupta說。"它對功能沒有幫助。但功率是一個數(shù)字。如果我的設(shè)計消耗了500毫瓦，我怎么知道這是否是最佳的？是不是離我應(yīng)該的位置有5倍的差距？"

 

獵取功率錯誤

 

也許一個更重要的問題會被問到，當(dāng)一個芯片回來后，消耗的功率比預(yù)期的要大。你如何找到這個功耗錯誤的原因，是什么原因可能導(dǎo)致預(yù)測和實際的分歧？過程中哪里讓你失望了？一些潛在的脫節(jié)現(xiàn)象如圖1所示。

 

圖1：今天的特設(shè)功率分析。

 

這個bug可能在非常詳細(xì)的層面上，也可能在最高的抽象層面上，以及中間的任何地方。設(shè)備的靈活性可以是一種祝福，也可以是一種詛咒。"今天，設(shè)計師們看到了一系列可以使用的器件，"Synopsys設(shè)計組高級職員應(yīng)用工程師Haran Thanikasalam說。"例如，代工廠提供高Vt器件、低Vt器件和超低Vt器件。如果你采用高Vt器件，那些器件速度較慢，但它們耗散的功率較小，而如果我們采用超低Vt器件，它們的速度非常快，但同時它們的漏電現(xiàn)象非常嚴(yán)重。在決策中可能會浪費很多功率。此外，當(dāng)把低Vt器件和高Vt器件結(jié)合在一起時，某些代工廠或工藝不允許這兩種擴(kuò)散合并在一起，所以它們必須是單獨的擴(kuò)散，這就會影響你的領(lǐng)域。"

 

在最新的節(jié)點上，新的效應(yīng)就會出現(xiàn)。"今天的設(shè)備幾乎達(dá)到了角質(zhì)級，"Thanikasalam補(bǔ)充道。"即使是輕微的變化也會大規(guī)模地改變設(shè)備的工作方式。我們甚至如何測量功率，以及如何將這些由模擬提供的功率數(shù)字與實際硅片相關(guān)聯(lián)？這是一個越來越嚴(yán)重的問題，因為在硅片上，你無法準(zhǔn)確地指出某個特定的塊，比如內(nèi)存，到底浪費了多少，因為你沒有辦法測量這些信息。"

 

在系統(tǒng)層面，發(fā)現(xiàn)了不同的問題。"仿真器本質(zhì)上受限于它們能模擬的周期數(shù)，或者它們能運(yùn)行的現(xiàn)實場景數(shù)，"Ansys的Gupta說。"用戶需要能夠采取真實的芯片級流量的工具和方法論，并在早期對其進(jìn)行建模。他們需要考慮，對于10億個時鐘周期，有不同的操作模式，這就是相應(yīng)的功率曲線。這是我的視頻IP打開和關(guān)閉的時候，我的CPU子系統(tǒng)或者GPU子系統(tǒng)閑置的時候，任何暴露的功耗bug都會有非常大的影響。想象一下，在幾秒鐘的時間里，你的GPU子系統(tǒng)可能已經(jīng)被關(guān)閉了。在簡單的模擬場景中，你無法認(rèn)識到這一點，但在現(xiàn)實的應(yīng)用場景中，你或許能夠認(rèn)識到這一點。"

 

這就造成了抽象性和保真性的老難題。"當(dāng)你進(jìn)入更高的抽象水平時，你不可能像設(shè)計更明確時那樣具有同樣的準(zhǔn)確性，"Gupta補(bǔ)充道。"但早期分析確實可以提供對更高影響功率問題的見解。今天，許多團(tuán)隊專注于RT級。例如，您正在查看一個具有數(shù)百萬個倒裝觸發(fā)器的設(shè)計，您希望提取一個通用的高級使能。但在RTL，一個時鐘網(wǎng)是理想的，這可以提供不太可預(yù)測的結(jié)果。我們必須估計負(fù)載，它將驅(qū)動什么樣的電容。我們做時鐘門拆分，我們做緩沖區(qū)尺寸調(diào)整，我們創(chuàng)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)，我們的想法是，這不是要達(dá)到一個超級精確的功率數(shù)字，而是這些高級功率調(diào)試方案應(yīng)該被保真地識別出來。"

 

關(guān)注度不斷擴(kuò)大

 

Cadence的Knoth問道：“團(tuán)隊必須清楚地了解他們的權(quán)力擔(dān)憂。你最擔(dān)心的是什么？圖2形象地展示了一些潛在的擔(dān)憂。"是熱擔(dān)憂嗎？是峰值功率問題嗎？是待機(jī)功率問題嗎？是di/dt問題嗎？你是否擔(dān)心喚醒的急流？即使你知道擔(dān)心的問題是什么，你也要問什么時候才會有適當(dāng)?shù)拇碳碚_地進(jìn)行功率或熱分析，這樣我們就不會做出不正確的結(jié)論，要么給產(chǎn)品增加過多的余量，要么延遲進(jìn)度。這是一個非常共同依賴的問題。”

 

圖2：五種功率方案。

 

Gupta對此表示同意：“有些人開始在門級測量功率，以便了解電網(wǎng)是否已被正確構(gòu)建，能夠維持該功率。封裝是否足以支撐該功率？從那里開始，它已經(jīng)演變成更復(fù)雜的方案：數(shù)百種功率門控條件、動態(tài)電壓和頻率縮放。你把所有這些因素集中在一起，復(fù)雜性就會飆升。”

 

Arm的Myers說：“一些設(shè)計承認(rèn)，必須存在反饋回路，以便就地處理電源問題。在服務(wù)器中，重點可能是在固定的熱包絡(luò)內(nèi)最大限度地提高吞吐量，這歸結(jié)為有源功率/GHz、熱管理和對電源噪聲的容忍度，其中一些可以在硅后通過表征電壓和溫度傳感器然后調(diào)整系統(tǒng)管理軟件來完成--所以可配置性很重要。但也有復(fù)雜的硬件設(shè)計反饋回路，例如何時對某一特定塊進(jìn)行節(jié)流，以維持系統(tǒng)完整性，同時將吞吐量影響降到最低。電流尖峰對系統(tǒng)完整性來說是個問題，但取決于上下文，如去耦電容、平面圖中的相鄰塊、當(dāng)前DVFS點、穩(wěn)壓器負(fù)載、封裝布局等?？紤]到所有這些因素，反饋回路通常太長，有不穩(wěn)定的風(fēng)險，所以需要新的方法，因為過多的靜態(tài)裕度會直接影響性能。”

 

Knoth說：“有些人關(guān)心的是動力的積分--能量。一些公司正在改變對話，從我們做什么來優(yōu)化動力，到我們做什么來優(yōu)化能源？歸根結(jié)底，能源才是真正完成工作的東西。動力在很多方面對我們來說是一個更容易衡量的東西，也是我們更容易兼顧的東西，但它確實是能量，是最終的目標(biāo)，我們越是能直接衡量它，我們就越能創(chuàng)造出有助于理解它和利用它的工具。”

 

過去單獨分析功率的許多方面，現(xiàn)在正變得由物理屬性聯(lián)系起來。熱影響靜態(tài)和動態(tài)功率，這也會影響時間?；顒訒a(chǎn)生熱量，所以有一個反饋循環(huán)。方案必須足夠長，不僅要產(chǎn)生熱量，還要允許這些熱量在裸片上的散失，以查看它對鄰近器件的影響。

 

Gupta說：“功耗的一部分是由功能結(jié)構(gòu)決定的，第二部分是由活動在你的設(shè)計中是如何流動的決定的。活動對功耗有一級影響，當(dāng)然布局和變化效應(yīng)也很重要。圍繞時鐘有很多關(guān)注點，因為它是你設(shè)計中最快的信號，它控制著設(shè)計中發(fā)生的很多功耗。你關(guān)閉時鐘，你就可以節(jié)省大量的電力。你關(guān)閉電源，就能節(jié)省更多的電力。”

 

Knoth說：“電源必須是一個過程的組成部分。這是一個多層次的方法，你必須考慮用今天的信息能得出什么樣的有效結(jié)論。隨著設(shè)計的進(jìn)展，事情的成熟，你能夠得到更多的準(zhǔn)確性，你能夠?qū)Ξa(chǎn)品有更多的洞察力，但有時你能改變產(chǎn)品的數(shù)量會減少。隨著時間的推移，它變得越來越少。早期你的靈活性最大，但準(zhǔn)確性最小。什么時候你需要鎖定某些關(guān)于封裝、關(guān)于散熱片、關(guān)于電網(wǎng)穩(wěn)健性的決策？你必須從整體產(chǎn)品進(jìn)度的角度來考慮這個問題。”

 

Ambiq公司架構(gòu)和產(chǎn)品規(guī)劃副總裁Dan Cermak說：“這總是一個微妙的平衡。對于硅片開發(fā)，總是存在挑戰(zhàn)和風(fēng)險，你會遇到GIGO效應(yīng)(Garbage In Garbage Out)，在設(shè)計階段太早進(jìn)行功率調(diào)試可能會給你帶來誤導(dǎo)性/錯誤的結(jié)果，但等到最終設(shè)計完成后再開始功率調(diào)試就太晚了，無法影響有意義的改變。”

 

結(jié)果保真度

 

仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于必要的物理效應(yīng)能否被模擬出來。功能性都是關(guān)于1和0的，但對于功率問題，這可能是個問題。

 

Synopsys的Thanikasalam說：“考慮一個存儲器，有一些位線貫穿SRAM存儲器，該存儲器的主要功率來自于這些位線的波動。它們會耗費大量的功率。當(dāng)你做仿真時，你有能力將它們設(shè)置為VDD或它們接地。在真實的硅中，你沒有辦法做到這一點。即使一條位線出現(xiàn)在VDD上，隨著時間的推移，該位線也會開始泄漏，因為沒有任何東西將該位線固定在VDD點上。這些都是差分對，它們可能就在中間出現(xiàn)，然后消耗大量的功率。所以模擬器和真實硅片的工作原理之間有很大的關(guān)聯(lián)性差距。”

 

Ambiq的Cermak說：“即使假設(shè)了數(shù)字抽象，也有很大的誤差空間。有一個問題是確定必須分析的適當(dāng)?shù)墓ぷ髫?fù)載/場景，它是一個有代表性的工作負(fù)載嗎？它是否涵蓋了設(shè)計的所有關(guān)鍵操作模式？對于較大的設(shè)計，這個問題變得更加復(fù)雜，因為你必須將這些工作負(fù)載分解成更小的微工作負(fù)載來進(jìn)行實際評估。”

 

Knoth補(bǔ)充道：“你的功率分析只有你的矢量才好，你必須在一個層次上看問題，你要看，''這個矢量的覆蓋率是多少？活動是什么樣的？我們已經(jīng)投資了相當(dāng)多的資金來構(gòu)建實用工具，幫助客戶對刺激本身做更多的工作，將不同的向量合并在一起以創(chuàng)建新的場景，將一個向量的活動與另一個向量的活動進(jìn)行對比。”

 

Thanikasalam說：“整個過程比功能驗證要復(fù)雜得多。除非你刺激電路的一部分，否則你不會撥動那個設(shè)備，也不會有熱量從它身上散發(fā)出來，你必須讓測試臺更加嚴(yán)格，確保在做模擬時，電路的每個部分都是真正的撥動。這對性能有負(fù)面影響，而且需要更多的時間，需要更多的能力。這絕不是一個單一的問題了。你必須同時解決所有的問題。隔離一個單一的效果變得非常困難。”

 

Gupta說：“你無法任意裝箱大型矢量集。我可能有成千上萬的向量，我如何識別哪些是所有這些矢量中共同的最活躍信號。我有時序關(guān)鍵路徑，我如何表征這些路徑上的時序功率敏感性，以便做出設(shè)計決策？方法論需要有能力存儲各種功率相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后有一個框架和API，用戶可以跨大型設(shè)計、長向量進(jìn)行查看，幫助他們獲得有意義的見解。”

 

知識產(chǎn)權(quán)問題

 

Myers說：“在設(shè)計中使用IP時，可能會對所提供的功率模型的保真度產(chǎn)生疑問。EDA工具很擅長精確定位功率的貢獻(xiàn)者，如果它們在數(shù)字邏輯中，而且你有適當(dāng)?shù)姆抡娲碳?，但它們對于檢查內(nèi)部宏，如存儲器或混合信號部分的設(shè)計沒有什么幫助，在那里你依賴于你的設(shè)計師或IP供應(yīng)商。幸運(yùn)的是，這方面有一些標(biāo)準(zhǔn)倡議，如IEEE 1801，它正在追求增強(qiáng)的功率感知宏的建模。”

 

Knoth說：“現(xiàn)在還處于早期階段。業(yè)界在實現(xiàn)正常化方面取得了一些非常好的進(jìn)展，即當(dāng)你包裝和銷售IP時，功率信息與定時信息同樣重要，即使你只是看看定時模型是如何在行業(yè)內(nèi)出貨的，自從Liberty模型首次推出以來，已經(jīng)發(fā)生了令人難以置信的演變，功率比定時有一個額外的維度。”

 

Thanikasalam說：“現(xiàn)在問題依然存在。當(dāng)設(shè)計公司向終端客戶定義他們的功率規(guī)格時，有很多假設(shè)，這些設(shè)置是用于該功率情況的，而這些特定的設(shè)置甚至可能在真實的硅上不可能。所以，基于模擬的報價和硅片提供的實際數(shù)字之間存在這種差異。”

 

誰的責(zé)任？

 

設(shè)計和驗證團(tuán)隊一起工作，卻又獨立工作。理解功率需要比功能驗證更多的設(shè)計知識，那么最終由誰來負(fù)責(zé)尋找功率錯誤呢？

 

Gupta說：“在電源方面比較成功的公司已經(jīng)創(chuàng)建了一個新的團(tuán)隊叫做電源方法團(tuán)隊，這個團(tuán)隊位于設(shè)計團(tuán)隊和驗證團(tuán)隊之間。他們是將RTL設(shè)計者創(chuàng)建的設(shè)計進(jìn)行功率分析并找出可以做出哪些改變的人。然后他們通過設(shè)計社區(qū)管理這些變化。他們與驗證工程師合作，幫助他們認(rèn)識到功率矢量應(yīng)該是什么。”

 

Knoth說：“驗證團(tuán)隊傳統(tǒng)上一直是矢量集的維護(hù)者。"行業(yè)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品的功能驗證和產(chǎn)品的功率分析和優(yōu)化正在加入到一起，這兩者真的需要合二為一，否則都不能有效地完成自己的工作。做功能驗證的人可以關(guān)注功率。你不應(yīng)該強(qiáng)迫人們使用一個完全獨立的工具或運(yùn)行集的生態(tài)系統(tǒng)。EDA行業(yè)有責(zé)任讓人們盡可能不痛苦地將波形轉(zhuǎn)化為瓦特。”

 

Gupta說：“這可能會造成目標(biāo)的沖突。"隨著時間的推移，我看到功率方法論團(tuán)隊開始雇用驗證工程師，因為他們正在與功能回歸資源競爭，沒有功能，芯片就什么都不是。所以他們很難游說和競選功率向量，而范式的轉(zhuǎn)變是，功率方法論工程師現(xiàn)在正在為功率編寫向量。”

 

結(jié)語

 

如今，大量的投資和創(chuàng)新都投入到功率分析工具中，沒有簡單的答案。用戶不得不在測試的廣泛性和結(jié)果的保真度之間做出權(quán)衡，并評估在開發(fā)路徑上必須做出的每一個決策的必要條件。但這只是旅程的開始。分析是方法論發(fā)展的第一階段，之后需要進(jìn)行洞察、優(yōu)化和自動化。其中一些是在問題空間不斷發(fā)展的同時出現(xiàn)的。Knoth說：“當(dāng)你從有一個電力焦點切換到能源焦點時，你已經(jīng)得到了一個額外的自由度，這是你以前沒有的，看看這對像地方和路線和綜合這樣的事情能做什么是相當(dāng)迷人的。一旦你開始考慮能源與電力，就會有一些驚人的創(chuàng)新機(jī)會。”

 

 

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