【導(dǎo)讀】一直以來，設(shè)計(jì)人員都將最小化功耗的工作留給實(shí)現(xiàn)／物理工具來完成。但到了這個(gè)時(shí)候，有關(guān)設(shè)計(jì)的所有重要架構(gòu)和微架構(gòu)決策都已確定。物理工具對功耗的影響非常有限。這些工具無法對設(shè)計(jì)架構(gòu)進(jìn)行徹底的更改，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。物理工具所用的方法，例如單元尺寸調(diào)整、管腳交換和 Vth 選擇，只能將稍稍降低功耗而已。
UPF 主要用于增強(qiáng)漏泄功耗的功率門控，其主要用途是定義電壓域。指定不同電壓域的其中一個(gè)原因是為了協(xié)商功耗與性能之間的折衷方案。較高的電壓可獲得更快的速度，但需要更高的動態(tài)功耗 (1/2 C V2 f)。
功耗與電壓的平方成正比。因此，降低動態(tài)功耗要從針對設(shè)計(jì)中的不同模塊規(guī)劃合適的電壓電平開始。動態(tài)功耗主要受活動影響。設(shè)計(jì)中運(yùn)行的工作越多，最終需要的能量就越多。隨著在設(shè)計(jì)中完成工作的速度提高，所需功耗也會增加。要節(jié)省動態(tài)功耗，可以降低設(shè)計(jì)的工作速度（降低時(shí)鐘速度），嘗試降低電壓，或嘗試削減設(shè)計(jì)活動。減小設(shè)計(jì)中的電容是節(jié)能的另一個(gè)重要方面，這通常可借助高效的實(shí)施或通過調(diào)整工藝來實(shí)現(xiàn)。
一般而言，設(shè)計(jì)架構(gòu)師比較擅長確定電壓和時(shí)鐘速度。但目前為止，還未找到減少活動（尤其是不必要的活動）的有效做法。此類縮減往往需要微架構(gòu)更改（例如 FSM 重新編碼、模塊級時(shí)鐘門控、存儲器門控、存儲器分塊和旁路存儲器訪問），而這類更改要求深入了解設(shè)計(jì)功能。這類更改適合由編寫 RTL 的設(shè)計(jì)人員來執(zhí)行。
在許多公司，降低功耗的工作交給功耗專家完成。這些專家具備多年積累的反復(fù)應(yīng)用于所在業(yè)務(wù)組設(shè)計(jì)的知識和方法。但這種方法非常狹隘，無法在公司內(nèi)多個(gè)業(yè)務(wù)組之間拓展。
公司開始認(rèn)識到這一方法的局限性。于是越來越多的 RTL 設(shè)計(jì)人員從一開始便承擔(dān)了解決功耗問題的任務(wù)。理想情況下原本就應(yīng)如此。了解設(shè)計(jì)的人員是進(jìn)行功耗優(yōu)化的最佳人選。而且，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向 FinFET 技術(shù)的過程中，動態(tài)功耗已成為功耗的主導(dǎo)因素（圖 1）。
圖 1：功耗趨勢。
降低 RTL 動態(tài)功耗的常用方法
在 RTL 做出的決定對設(shè)計(jì)功耗的影響遠(yuǎn)大于在設(shè)計(jì)流程后期做出的決定。RTL 設(shè)計(jì)人員嚴(yán)重依賴時(shí)鐘門控來削減時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)。這是目前占絕對優(yōu)勢的降低動態(tài)功耗的最常用方法。RTL 設(shè)計(jì)人員使用的一些其他方法包括數(shù)據(jù)門控和觸發(fā)器克隆／共享（圖 2）。
圖 2：克隆觸發(fā)器方法。
圖 2 顯示：
• 觸發(fā)器 F 提供了用于 3 種算術(shù)運(yùn)算的運(yùn)算符。
• 觸發(fā)器 F 無法進(jìn)行門控，因?yàn)橹辽僖环N算術(shù)運(yùn)算需要它的值。
• 即便執(zhí)行一種運(yùn)算，另外兩種運(yùn)算中的邏輯也會發(fā)生不必要的翻轉(zhuǎn)并產(chǎn)生功耗。
• 通過將觸發(fā)器 F 克隆到三個(gè)觸發(fā)器（F1、F2 和 F3）中，可在對兩種運(yùn)算進(jìn)行門控的同時(shí)計(jì)算第三種運(yùn)算。
通過這一更改，設(shè)計(jì)人員需要確認(rèn)額外觸發(fā)器的功耗要遠(yuǎn)小于它們所控制的下游算術(shù)運(yùn)算功耗。
要對功耗產(chǎn)生更深刻的影響，RTL 設(shè)計(jì)人員需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行越來越多的粗粒度（微架構(gòu)）更改。例如，通過以下方法可顯著削減動態(tài)功耗：
• 模塊級的時(shí)鐘門控
• 將寄存器鏈轉(zhuǎn)換為環(huán)形緩沖器
• 關(guān)斷存儲器
• 旁路存儲器訪問
• 執(zhí)行重定時(shí)
• 使用運(yùn)算符屏蔽。
將移位寄存器替換為環(huán)形緩沖器是一種常見的微架構(gòu)設(shè)計(jì)更改。移位寄存器中的活動量很大，因?yàn)檠刂邮招轮档挠|發(fā)器鏈，數(shù)據(jù)一直都在進(jìn)行移位。這一移位操作導(dǎo)致觸發(fā)器（以及這些觸發(fā)器所驅(qū)動的邏輯中）發(fā)生多次不必要的翻轉(zhuǎn)并造成功耗。因此，設(shè)計(jì)人員考慮將移位寄存器替換為環(huán)形緩沖器（圖 3），因?yàn)檫@些緩沖器在讀取或使用新值時(shí)不需要移動。
圖 3：將移位寄存器替換為環(huán)形緩沖器。
進(jìn)行這一更改后，設(shè)計(jì)人員需要確認(rèn)在環(huán)形緩沖器內(nèi)添加讀／寫指針邏輯產(chǎn)生的功耗不會超過通過使用環(huán)形緩沖器節(jié)省的功耗。
由于在任意給定的時(shí)間間隔，僅僅訪問總計(jì)地址中的少數(shù)幾個(gè)地址，因此存儲器會浪費(fèi)功率。為解決此問題，設(shè)計(jì)人員可使用較小的“分塊”實(shí)施總體存儲器，這些分塊在未被訪問時(shí)可予以關(guān)斷（圖 4）。
圖 4：存儲器分塊示例。
圖 4 顯示了對一個(gè) 1024 字存儲器進(jìn)行分塊的兩種方法：
1. 兩個(gè) 512 字的分塊：僅其中一個(gè)分塊處于主動被訪問狀態(tài)，另一個(gè)分塊則通過門控關(guān)斷以節(jié)省功耗。
2. 四個(gè) 256 字的分塊：任意時(shí)刻有三個(gè)分塊可處于門控關(guān)斷狀態(tài)。
另一種設(shè)計(jì)存儲器以節(jié)省功耗的方法是通過一組固定寬度的存儲塊來配置所需的存儲器字大小。在圖 5 所示的示例中，有多種實(shí)現(xiàn) 512 字 X 28 位存儲器的方法，圖中提供了兩種：
1. 剛好使用 28 位字大小 (16 + 8 + 4) 并插入額外的編碼邏輯，用于在兩個(gè)分塊之間做出選擇（圖 5 右上角）。
2. 使用單個(gè) 32 位存儲器元器件（圖 5 右下角）。盡管此解決方案不需要任何編碼邏輯，但有 4 位存儲器被浪費(fèi)。
圖 5：可能的存儲器配置。
不論設(shè)計(jì)人員采用哪種方法來降低存儲器功耗，都必須非常小心，確保額外解碼邏輯的功耗仍小于較大的原始存儲塊功耗。
遺憾的是，前述方法的接受度遠(yuǎn)不如預(yù)期。主要有兩個(gè)原因：
• 不容易了解設(shè)計(jì)中存在這類機(jī)會。
• 不容易了解通過做出更改將會降低多少功耗。
通常，設(shè)計(jì)人員依賴他們的經(jīng)驗(yàn)或直覺做出設(shè)計(jì)更改。他們載入仿真波形，并嘗試估計(jì)其設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)冗余活動的位置。然后，根據(jù)此類活動所在的區(qū)域，嘗試評估可減少浪費(fèi)活動的方法。對一般 RTL 設(shè)計(jì)人員而言，這樣未免要求過高。因此，很多功耗節(jié)省未能付諸實(shí)施。使用 PowerPro® 提供了一種解決方案。
使用 POWERPRO 降低動態(tài)功耗
很顯然，傳統(tǒng)的降低功耗方法已經(jīng)不再行得通。遷移到 FinFET 給動態(tài)功耗帶來了與日俱增的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為保持競爭優(yōu)勢，單純依賴功耗專家來降低功耗已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。公司將會在功耗方面落后于競爭對手。
簡單地報(bào)告設(shè)計(jì)的功耗數(shù)字已不再適宜。功耗分析是一個(gè)重要的步驟，但它本身并不能節(jié)省任何功耗。最終要取決于設(shè)計(jì)人員個(gè)人的專業(yè)知識，以及他們?nèi)绾谓庾x工具報(bào)告從而優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)。
RTL 設(shè)計(jì)人員需要關(guān)于設(shè)計(jì)中哪些位置可以節(jié)省功耗的指導(dǎo)。他們需要關(guān)于其設(shè)計(jì)中存在的優(yōu)化范圍（例如模塊級時(shí)鐘門控、移位寄存器到環(huán)形緩沖器、存儲器緩存和復(fù)位移除）及相關(guān)功耗節(jié)省的確鑿證據(jù)。PowerPro 在設(shè)計(jì)中提供了進(jìn)行許多微架構(gòu)和細(xì)粒度優(yōu)化的可能性，并且呈現(xiàn)了與每項(xiàng)更改相關(guān)的實(shí)際功耗節(jié)省。與手動方法相比，其可最大限度減少了花費(fèi)在做出設(shè)計(jì)決策上的時(shí)間。基于 PowerPro 的建議，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)其設(shè)計(jì)進(jìn)度做出更改。如果依據(jù)進(jìn)度還有足夠的時(shí)間，他們可以實(shí)施所有建議。如果時(shí)間有限，設(shè)計(jì)人員可以選取最佳建議加以實(shí)施。在設(shè)計(jì)流程中采用 PowerPro 時(shí)，這一靈活性至關(guān)重要。
功耗優(yōu)化的另一個(gè)關(guān)鍵部分是探索各種更改（例如工作模式、時(shí)鐘頻率、工作電壓和工藝技術(shù)）對應(yīng)的功耗的能力，對于 IP 開發(fā)人員而言尤其如此。建議的優(yōu)化應(yīng)適用于上述所有參數(shù)。利用 PowerPro，設(shè)計(jì)人員可以探索仿真配置文件、電壓、時(shí)鐘速度和設(shè)計(jì)自身的更改。在 PowerPro 內(nèi)可以并行評估以上多種更改（圖 6）。因此，過去需要幾周才能完成的探索任務(wù)，現(xiàn)在只要幾個(gè)小時(shí)就能完成。這種生產(chǎn)率提升讓 PowerPro 成為極具吸引力的設(shè)計(jì)流程補(bǔ)充。
圖 6：PowerPro 功耗探索。
檢測功率冗余的基礎(chǔ)技術(shù)是形式化分析。PowerPro 對設(shè)計(jì)執(zhí)行深入的時(shí)序分析，以找出存儲器訪問、寄存器載入和數(shù)據(jù)路徑計(jì)算中存在的冗余。由于 PowerPro 能夠基于時(shí)序探索建議修改，因此遠(yuǎn)優(yōu)于市場中的同類競爭技術(shù)。PowerPro 可針對設(shè)計(jì)流程的所有方面提供支持，包括寫出優(yōu)化的 RTL、ECO 和驗(yàn)證。設(shè)計(jì)人員確信，他們可以接受源自 PowerPro 的所有建議，并且不會對其交付進(jìn)度產(chǎn)生任何不利影響。
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