【導(dǎo)讀】你的設(shè)計(jì)在執(zhí)行特定功能時(shí)要消耗多少功率？對(duì)于許多設(shè)計(jì)來說，正確地掌握這個(gè)問題可能會(huì)決定成敗，但要知道這個(gè)正確的數(shù)字并不像聽起來那么容易。功率分析所預(yù)測(cè)的功率與硅片消耗的功率之間存在著巨大的差距。在已知的差距被彌補(bǔ)的同時(shí)，新的挑戰(zhàn)和要求也在對(duì)工具提出。這使得功率分析和早期的功率優(yōu)化嘗試成為EDA最具創(chuàng)新性的領(lǐng)域之一。各種市場(chǎng)都關(guān)注功率的不同方面，每一個(gè)方面都會(huì)影響設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)過程的特定方面，同時(shí)，幾何尺寸的縮小也增加了新的物理效應(yīng)，而這些效應(yīng)尚未被完全納入。
設(shè)計(jì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)不得不重新配置，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，同時(shí)平衡降低功耗帶來的投資回報(bào)率與改進(jìn)設(shè)計(jì)或更便宜的產(chǎn)品。"功耗感知設(shè)計(jì)至關(guān)重要，并得到了很多關(guān)注，但根本不是一個(gè)簡(jiǎn)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(jì)的種類。"
這推動(dòng)了人們對(duì)這個(gè)問題的大量關(guān)注。"每一個(gè)客戶都對(duì)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(huì)隨著每一次對(duì)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(tái)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(huì)通過不同的視角來看待電源和功率錯(cuò)誤。"
定義電力蟲子聽起來很簡(jiǎn)單，但它是什么呢？"我們將電源錯(cuò)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(duì)功能沒有幫助。但功率是一個(gè)數(shù)字。如果我的設(shè)計(jì)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(cuò)誤
也許一個(gè)更重要的問題會(huì)被問到，當(dāng)一個(gè)芯片回來后，消耗的功率比預(yù)期的要大。你如何找到這個(gè)功耗錯(cuò)誤的原因，是什么原因可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)和實(shí)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(gè)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(jì)師們看到了一系列可以使用的器件，"Synopsys設(shè)計(jì)組高級(jí)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(shí)它們的漏電現(xiàn)象非常嚴(yán)重。在決策中可能會(huì)浪費(fèi)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(shí)，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(dú)的擴(kuò)散，這就會(huì)影響你的領(lǐng)域。"
在最新的節(jié)點(diǎn)上，新的效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。"今天的設(shè)備幾乎達(dá)到了角質(zhì)級(jí)，"Thanikasalam補(bǔ)充道。"即使是輕微的變化也會(huì)大規(guī)模地改變?cè)O(shè)備的工作方式。我們甚至如何測(cè)量功率，以及如何將這些由模擬提供的功率數(shù)字與實(shí)際硅片相關(guān)聯(lián)？這是一個(gè)越來越嚴(yán)重的問題，因?yàn)樵诠杵希銦o法準(zhǔn)確地指出某個(gè)特定的塊，比如內(nèi)存，到底浪費(fèi)了多少，因?yàn)槟銢]有辦法測(cè)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(shí)場(chǎng)景數(shù)，"Ansys的Gupta說。"用戶需要能夠采取真實(shí)的芯片級(jí)流量的工具和方法論，并在早期對(duì)其進(jìn)行建模。他們需要考慮，對(duì)于10億個(gè)時(shí)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(shí)候，我的CPU子系統(tǒng)或者GPU子系統(tǒng)閑置的時(shí)候，任何暴露的功耗bug都會(huì)有非常大的影響。想象一下，在幾秒鐘的時(shí)間里，你的GPU子系統(tǒng)可能已經(jīng)被關(guān)閉了。在簡(jiǎn)單的模擬場(chǎng)景中，你無法認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，但在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中，你或許能夠認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。"
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(shí)，你不可能像設(shè)計(jì)更明確時(shí)那樣具有同樣的準(zhǔn)確性，"Gupta補(bǔ)充道。"但早期分析確實(shí)可以提供對(duì)更高影響功率問題的見解。今天，許多團(tuán)隊(duì)專注于RT級(jí)。例如，您正在查看一個(gè)具有數(shù)百萬個(gè)倒裝觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，您希望提取一個(gè)通用的高級(jí)使能。但在RTL，一個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)是理想的，這可以提供不太可預(yù)測(cè)的結(jié)果。我們必須估計(jì)負(fù)載，它將驅(qū)動(dòng)什么樣的電容。我們做時(shí)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(gè)超級(jí)精確的功率數(shù)字，而是這些高級(jí)功率調(diào)試方案應(yīng)該被保真地識(shí)別出來。"
關(guān)注度不斷擴(kuò)大
Cadence的Knoth問道：“團(tuán)隊(duì)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(shí)候才會(huì)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(huì)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(gè)非常共同依賴的問題。”
圖2：五種功率方案。
Gupta對(duì)此表示同意：“有些人開始在門級(jí)測(cè)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(dòng)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(huì)飆升。”
Arm的Myers說：“一些設(shè)計(jì)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(diǎn)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(duì)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(jì)反饋回路，例如何時(shí)對(duì)某一特定塊進(jìn)行節(jié)流，以維持系統(tǒng)完整性，同時(shí)將吞吐量影響降到最低。電流尖峰對(duì)系統(tǒng)完整性來說是個(gè)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(diǎn)、穩(wěn)壓器負(fù)載、封裝布局等。考慮到所有這些因素，反饋回路通常太長(zhǎng)，有不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要新的方法，因?yàn)檫^多的靜態(tài)裕度會(huì)直接影響性能。”
Knoth說：“有些人關(guān)心的是動(dòng)力的積分--能量。一些公司正在改變對(duì)話，從我們做什么來優(yōu)化動(dòng)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(dòng)力在很多方面對(duì)我們來說是一個(gè)更容易衡量的東西，也是我們更容易兼顧的東西，但它確實(shí)是能量，是最終的目標(biāo)，我們?cè)绞悄苤苯雍饬克覀兙驮侥軇?chuàng)造出有助于理解它和利用它的工具。”
過去單獨(dú)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(dòng)態(tài)功率，這也會(huì)影響時(shí)間。活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱量，所以有一個(gè)反饋循環(huán)。方案必須足夠長(zhǎng)，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(duì)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(dòng)在你的設(shè)計(jì)中是如何流動(dòng)的決定的。活動(dòng)對(duì)功耗有一級(jí)影響，當(dāng)然布局和變化效應(yīng)也很重要。圍繞時(shí)鐘有很多關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)樗悄阍O(shè)計(jì)中最快的信號(hào)，它控制著設(shè)計(jì)中發(fā)生的很多功耗。你關(guān)閉時(shí)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(gè)過程的組成部分。這是一個(gè)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(jì)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(shí)你能改變產(chǎn)品的數(shù)量會(huì)減少。隨著時(shí)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(shí)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(gè)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(gè)微妙的平衡。對(duì)于硅片開發(fā)，總是存在挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，你會(huì)遇到GIGO效應(yīng)(Garbage In Garbage Out)，在設(shè)計(jì)階段太早進(jìn)行功率調(diào)試可能會(huì)給你帶來誤導(dǎo)性/錯(cuò)誤的結(jié)果，但等到最終設(shè)計(jì)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(duì)于功率問題，這可能是個(gè)問題。
Synopsys的Thanikasalam說：“考慮一個(gè)存儲(chǔ)器，有一些位線貫穿SRAM存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器的主要功率來自于這些位線的波動(dòng)。它們會(huì)耗費(fèi)大量的功率。當(dāng)你做仿真時(shí)，你有能力將它們?cè)O(shè)置為VDD或它們接地。在真實(shí)的硅中，你沒有辦法做到這一點(diǎn)。即使一條位線出現(xiàn)在VDD上，隨著時(shí)間的推移，該位線也會(huì)開始泄漏，因?yàn)闆]有任何東西將該位線固定在VDD點(diǎn)上。這些都是差分對(duì)，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(shí)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(gè)問題是確定必須分析的適當(dāng)?shù)墓ぷ髫?fù)載/場(chǎng)景，它是一個(gè)有代表性的工作負(fù)載嗎？它是否涵蓋了設(shè)計(jì)的所有關(guān)鍵操作模式？對(duì)于較大的設(shè)計(jì)，這個(gè)問題變得更加復(fù)雜，因?yàn)槟惚仨殞⑦@些工作負(fù)載分解成更小的微工作負(fù)載來進(jìn)行實(shí)際評(píng)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(gè)層次上看問題，你要看，''這個(gè)矢量的覆蓋率是多少？活動(dòng)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(shí)用工具，幫助客戶對(duì)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(chǎng)景，將一個(gè)向量的活動(dòng)與另一個(gè)向量的活動(dòng)進(jìn)行對(duì)比。”
Thanikasalam說：“整個(gè)過程比功能驗(yàn)證要復(fù)雜得多。除非你刺激電路的一部分，否則你不會(huì)撥動(dòng)那個(gè)設(shè)備，也不會(huì)有熱量從它身上散發(fā)出來，你必須讓測(cè)試臺(tái)更加嚴(yán)格，確保在做模擬時(shí)，電路的每個(gè)部分都是真正的撥動(dòng)。這對(duì)性能有負(fù)面影響，而且需要更多的時(shí)間，需要更多的能力。這絕不是一個(gè)單一的問題了。你必須同時(shí)解決所有的問題。隔離一個(gè)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(shí)別哪些是所有這些矢量中共同的最活躍信號(hào)。我有時(shí)序關(guān)鍵路徑，我如何表征這些路徑上的時(shí)序功率敏感性，以便做出設(shè)計(jì)決策？方法論需要有能力存儲(chǔ)各種功率相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后有一個(gè)框架和API，用戶可以跨大型設(shè)計(jì)、長(zhǎng)向量進(jìn)行查看，幫助他們獲得有意義的見解。”
知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題
Myers說：“在設(shè)計(jì)中使用IP時(shí)，可能會(huì)對(duì)所提供的功率模型的保真度產(chǎn)生疑問。EDA工具很擅長(zhǎng)精確定位功率的貢獻(xiàn)者，如果它們?cè)跀?shù)字邏輯中，而且你有適當(dāng)?shù)姆抡娲碳ぃ鼈儗?duì)于檢查內(nèi)部宏，如存儲(chǔ)器或混合信號(hào)部分的設(shè)計(jì)沒有什么幫助，在那里你依賴于你的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，功率信息與定時(shí)信息同樣重要，即使你只是看看定時(shí)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(shí)有一個(gè)額外的維度。”
Thanikasalam說：“現(xiàn)在問題依然存在。當(dāng)設(shè)計(jì)公司向終端客戶定義他們的功率規(guī)格時(shí)，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(shí)的硅上不可能。所以，基于模擬的報(bào)價(jià)和硅片提供的實(shí)際數(shù)字之間存在這種差異。”
誰的責(zé)任？
設(shè)計(jì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)一起工作，卻又獨(dú)立工作。理解功率需要比功能驗(yàn)證更多的設(shè)計(jì)知識(shí)，那么最終由誰來負(fù)責(zé)尋找功率錯(cuò)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(gè)新的團(tuán)隊(duì)叫做電源方法團(tuán)隊(duì)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)位于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)之間。他們是將RTL設(shè)計(jì)者創(chuàng)建的設(shè)計(jì)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(jì)社區(qū)管理這些變化。他們與驗(yàn)證工程師合作，幫助他們認(rèn)識(shí)到功率矢量應(yīng)該是什么。”
Knoth說：“驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(yàn)證的人可以關(guān)注功率。你不應(yīng)該強(qiáng)迫人們使用一個(gè)完全獨(dú)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(huì)造成目標(biāo)的沖突。"隨著時(shí)間的推移，我看到功率方法論團(tuán)隊(duì)開始雇用驗(yàn)證工程師，因?yàn)樗麄冋谂c功能回歸資源競(jìng)爭(zhēng)，沒有功能，芯片就什么都不是。所以他們很難游說和競(jìng)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(yǔ)
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(jiǎn)單的答案。用戶不得不在測(cè)試的廣泛性和結(jié)果的保真度之間做出權(quán)衡，并評(píng)估在開發(fā)路徑上必須做出的每一個(gè)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(dòng)化。其中一些是在問題空間不斷發(fā)展的同時(shí)出現(xiàn)的。Knoth說：“當(dāng)你從有一個(gè)電力焦點(diǎn)切換到能源焦點(diǎn)時(shí)，你已經(jīng)得到了一個(gè)額外的自由度，這是你以前沒有的，看看這對(duì)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(huì)有一些驚人的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。”
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