設計和驗證團隊不得不重新配置，以應對這些挑戰，同時(shí)平衡降低功耗帶來(lái)的投資回報率與改進(jìn)設計或更便宜的產(chǎn)品。"功耗感知設計至關(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(guò)程，"Arm公司杰出工程師James Myers說(shuō)。"這也是完全不同的，取決于設計的種類(lèi)。"

 

這推動(dòng)了人們對這個(gè)問(wèn)題的大量關(guān)注。"每一個(gè)客戶(hù)都對功率感興趣，"Cadence的產(chǎn)品管理總監Rob Knoth說(shuō)。"但功率的含義會(huì )隨著(zhù)每一次對話(huà)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，或者他們是否能從環(huán)境能源中為設備供電。他們都會(huì )通過(guò)不同的視角來(lái)看待電源和功率錯誤。"

 

定義電力蟲(chóng)子聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)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)品管理負責人Preeti Gupta說(shuō)。"它對功能沒(méi)有幫助。但功率是一個(gè)數字。如果我的設計消耗了500毫瓦，我怎么知道這是否是最佳的？是不是離我應該的位置有5倍的差距？"

 

獵取功率錯誤

 

也許一個(gè)更重要的問(wèn)題會(huì )被問(wèn)到，當一個(gè)芯片回來(lái)后，消耗的功率比預期的要大。你如何找到這個(gè)功耗錯誤的原因，是什么原因可能導致預測和實(shí)際的分歧？過(guò)程中哪里讓你失望了？一些潛在的脫節現象如圖1所示。

 

圖1：今天的特設功率分析。

 

這個(gè)bug可能在非常詳細的層面上，也可能在最高的抽象層面上，以及中間的任何地方。設備的靈活性可以是一種祝福，也可以是一種詛咒。"今天，設計師們看到了一系列可以使用的器件，"Synopsys設計組高級職員應用工程師Haran Thanikasalam說(shuō)。"例如，代工廠(chǎng)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?？?，但同時(shí)它們的漏電現象非常嚴重。在決策中可能會(huì )浪費很多功率。此外，當把低Vt器件和高Vt器件結合在一起時(shí)，某些代工廠(chǎng)或工藝不允許這兩種擴散合并在一起，所以它們必須是單獨的擴散，這就會(huì )影響你的領(lǐng)域。"

 

在最新的節點(diǎn)上，新的效應就會(huì )出現。"今天的設備幾乎達到了角質(zhì)級，"Thanikasalam補充道。"即使是輕微的變化也會(huì )大規模地改變設備的工作方式。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字與實(shí)際硅片相關(guān)聯(lián)？這是一個(gè)越來(lái)越嚴重的問(wèn)題，因為在硅片上，你無(wú)法準確地指出某個(gè)特定的塊，比如內存，到底浪費了多少，因為你沒(méi)有辦法測量這些信息。"

 

在系統層面，發(fā)現了不同的問(wèn)題。"仿真器本質(zhì)上受限于它們能模擬的周期數，或者它們能運行的現實(shí)場(chǎng)景數，"Ansys的Gupta說(shuō)。"用戶(hù)需要能夠采取真實(shí)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(gè)時(shí)鐘周期，有不同的操作模式，這就是相應的功率曲線(xiàn)。這是我的視頻IP打開(kāi)和關(guān)閉的時(shí)候，我的CPU子系統或者GPU子系統閑置的時(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子系統可能已經(jīng)被關(guān)閉了。在簡(jiǎn)單的模擬場(chǎng)景中，你無(wú)法認識到這一點(diǎn)，但在現實(shí)的應用場(chǎng)景中，你或許能夠認識到這一點(diǎn)。"

 

這就造成了抽象性和保真性的老難題。"當你進(jìn)入更高的抽象水平時(shí)，你不可能像設計更明確時(shí)那樣具有同樣的準確性，"Gupta補充道。"但早期分析確實(shí)可以提供對更高影響功率問(wèn)題的見(jiàn)解。今天，許多團隊專(zhuān)注于RT級。例如，您正在查看一個(gè)具有數百萬(wàn)個(gè)倒裝觸發(fā)器的設計，您希望提取一個(gè)通用的高級使能。但在RTL，一個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)是理想的，這可以提供不太可預測的結果。我們必須估計負載，它將驅動(dòng)什么樣的電容。我們做時(shí)鐘門(mén)拆分，我們做緩沖區尺寸調整，我們創(chuàng )建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )，我們的想法是，這不是要達到一個(gè)超級精確的功率數字，而是這些高級功率調試方案應該被保真地識別出來(lái)。"

 

關(guān)注度不斷擴大

 

Cadence的Knoth問(wèn)道：“團隊必須清楚地了解他們的權力擔憂(yōu)。你最擔心的是什么？圖2形象地展示了一些潛在的擔憂(yōu)。"是熱擔憂(yōu)嗎？是峰值功率問(wèn)題嗎？是待機功率問(wèn)題嗎？是di/dt問(wèn)題嗎？你是否擔心喚醒的急流？即使你知道擔心的問(wèn)題是什么，你也要問(wèn)什么時(shí)候才會(huì )有適當的刺激來(lái)正確地進(jìn)行功率或熱分析，這樣我們就不會(huì )做出不正確的結論，要么給產(chǎn)品增加過(guò)多的余量，要么延遲進(jìn)度。這是一個(gè)非常共同依賴(lài)的問(wèn)題。”

 

圖2：五種功率方案。

 

Gupta對此表示同意：“有些人開(kāi)始在門(mén)級測量功率，以便了解電網(wǎng)是否已被正確構建，能夠維持該功率。封裝是否足以支撐該功率？從那里開(kāi)始，它已經(jīng)演變成更復雜的方案：數百種功率門(mén)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，復雜性就會(huì )飆升。”

 

Arm的Myers說(shuō)：“一些設計承認，必須存在反饋回路，以便就地處理電源問(wèn)題。在服務(wù)器中，重點(diǎn)可能是在固定的熱包絡(luò )內最大限度地提高吞吐量，這歸結為有源功率/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(guò)表征電壓和溫度傳感器然后調整系統管理軟件來(lái)完成--所以可配置性很重要。但也有復雜的硬件設計反饋回路，例如何時(shí)對某一特定塊進(jìn)行節流，以維持系統完整性，同時(shí)將吞吐量影響降到最低。電流尖峰對系統完整性來(lái)說(shuō)是個(gè)問(wèn)題，但取決于上下文，如去耦電容、平面圖中的相鄰塊、當前DVFS點(diǎn)、穩壓器負載、封裝布局等?？紤]到所有這些因素，反饋回路通常太長(cháng)，有不穩定的風(fēng)險，所以需要新的方法，因為過(guò)多的靜態(tài)裕度會(huì )直接影響性能。”

 

Knoth說(shuō)：“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話(huà)，從我們做什么來(lái)優(yōu)化動(dòng)力，到我們做什么來(lái)優(yōu)化能源？歸根結底，能源才是真正完成工作的東西。動(dòng)力在很多方面對我們來(lái)說(shuō)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，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(guò)去單獨分析功率的許多方面，現在正變得由物理屬性聯(lián)系起來(lái)。熱影響靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率，這也會(huì )影響時(shí)間?；顒?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(cháng)，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(shuō)：“功耗的一部分是由功能結構決定的，第二部分是由活動(dòng)在你的設計中是如何流動(dòng)的決定的?；顒?dòng)對功耗有一級影響，當然布局和變化效應也很重要。圍繞時(shí)鐘有很多關(guān)注點(diǎn)，因為它是你設計中最快的信號，它控制著(zhù)設計中發(fā)生的很多功耗。你關(guān)閉時(shí)鐘，你就可以節省大量的電力。你關(guān)閉電源，就能節省更多的電力。”

 

Knoth說(shuō)：“電源必須是一個(gè)過(guò)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論。隨著(zhù)設計的進(jìn)展，事情的成熟，你能夠得到更多的準確性，你能夠對產(chǎn)品有更多的洞察力，但有時(shí)你能改變產(chǎn)品的數量會(huì )減少。隨著(zhù)時(shí)間的推移，它變得越來(lái)越少。早期你的靈活性最大，但準確性最小。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)穩健性的決策？你必須從整體產(chǎn)品進(jìn)度的角度來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題。”

 

Ambiq公司架構和產(chǎn)品規劃副總裁Dan Cermak說(shuō)：“這總是一個(gè)微妙的平衡。對于硅片開(kāi)發(fā)，總是存在挑戰和風(fēng)險，你會(huì )遇到GIGO效應(Garbage In Garbage Out)，在設計階段太早進(jìn)行功率調試可能會(huì )給你帶來(lái)誤導性/錯誤的結果，但等到最終設計完成后再開(kāi)始功率調試就太晚了，無(wú)法影響有意義的改變。”

 

結果保真度

 

仿真結果的準確性取決于必要的物理效應能否被模擬出來(lái)。功能性都是關(guān)于1和0的，但對于功率問(wèn)題，這可能是個(gè)問(wèn)題。

 

Synopsys的Thanikasalam說(shuō)：“考慮一個(gè)存儲器，有一些位線(xiàn)貫穿SRAM存儲器，該存儲器的主要功率來(lái)自于這些位線(xiàn)的波動(dòng)。它們會(huì )耗費大量的功率。當你做仿真時(shí)，你有能力將它們設置為VDD或它們接地。在真實(shí)的硅中，你沒(méi)有辦法做到這一點(diǎn)。即使一條位線(xiàn)出現在VDD上，隨著(zhù)時(shí)間的推移，該位線(xiàn)也會(huì )開(kāi)始泄漏，因為沒(méi)有任何東西將該位線(xiàn)固定在VDD點(diǎn)上。這些都是差分對，它們可能就在中間出現，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(shuō)：“即使假設了數字抽象，也有很大的誤差空間。有一個(gè)問(wèn)題是確定必須分析的適當的工作負載/場(chǎng)景，它是一個(gè)有代表性的工作負載嗎？它是否涵蓋了設計的所有關(guān)鍵操作模式？對于較大的設計，這個(gè)問(wèn)題變得更加復雜，因為你必須將這些工作負載分解成更小的微工作負載來(lái)進(jìn)行實(shí)際評估。”

 

Knoth補充道：“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(wèn)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)投資了相當多的資金來(lái)構建實(shí)用工具，幫助客戶(hù)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(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)行對比。”

 

Thanikasalam說(shuō)：“整個(gè)過(guò)程比功能驗證要復雜得多。除非你刺激電路的一部分，否則你不會(huì )撥動(dòng)那個(gè)設備，也不會(huì )有熱量從它身上散發(fā)出來(lái)，你必須讓測試臺更加嚴格，確保在做模擬時(shí)，電路的每個(gè)部分都是真正的撥動(dòng)。這對性能有負面影響，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(wèn)題了。你必須同時(shí)解決所有的問(wèn)題。隔離一個(gè)單一的效果變得非常困難。”

 

Gupta說(shuō)：“你無(wú)法任意裝箱大型矢量集。我可能有成千上萬(wàn)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(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，以便做出設計決策？方法論需要有能力存儲各種功率相關(guān)的數據，然后有一個(gè)框架和API，用戶(hù)可以跨大型設計、長(cháng)向量進(jìn)行查看，幫助他們獲得有意義的見(jiàn)解。”

 

知識產(chǎn)權問(wèn)題

 

Myers說(shuō)：“在設計中使用IP時(shí)，可能會(huì )對所提供的功率模型的保真度產(chǎn)生疑問(wèn)。EDA工具很擅長(cháng)精確定位功率的貢獻者，如果它們在數字邏輯中，而且你有適當的仿真刺激，但它們對于檢查內部宏，如存儲器或混合信號部分的設計沒(méi)有什么幫助，在那里你依賴(lài)于你的設計師或IP供應商。幸運的是，這方面有一些標準倡議，如IEEE 1801，它正在追求增強的功率感知宏的建模。”

 

Knoth說(shuō)：“現在還處于早期階段。業(yè)界在實(shí)現正?；矫嫒〉昧艘恍┓浅：玫倪M(jìn)展，即當你包裝和銷(xiāo)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)內出貨的，自從Liberty模型首次推出以來(lái)，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(shuō)：“現在問(wèn)題依然存在。當設計公司向終端客戶(hù)定義他們的功率規格時(shí)，有很多假設，這些設置是用于該功率情況的，而這些特定的設置甚至可能在真實(shí)的硅上不可能。所以，基于模擬的報價(jià)和硅片提供的實(shí)際數字之間存在這種差異。”

 

誰(shuí)的責任？

 

設計和驗證團隊一起工作，卻又獨立工作。理解功率需要比功能驗證更多的設計知識，那么最終由誰(shuí)來(lái)負責尋找功率錯誤呢？

 

Gupta說(shuō)：“在電源方面比較成功的公司已經(jīng)創(chuàng )建了一個(gè)新的團隊叫做電源方法團隊，這個(gè)團隊位于設計團隊和驗證團隊之間。他們是將RTL設計者創(chuàng )建的設計進(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(guò)設計社區管理這些變化。他們與驗證工程師合作，幫助他們認識到功率矢量應該是什么。”

 

Knoth說(shuō)：“驗證團隊傳統上一直是矢量集的維護者。"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。你不應該強迫人們使用一個(gè)完全獨立的工具或運行集的生態(tài)系統。EDA行業(yè)有責任讓人們盡可能不痛苦地將波形轉化為瓦特。”

 

Gupta說(shuō)：“這可能會(huì )造成目標的沖突。"隨著(zhù)時(shí)間的推移，我看到功率方法論團隊開(kāi)始雇用驗證工程師，因為他們正在與功能回歸資源競爭，沒(méi)有功能，芯片就什么都不是。所以他們很難游說(shuō)和競選功率向量，而范式的轉變是，功率方法論工程師現在正在為功率編寫(xiě)向量。”

 

結語(yǔ)

 

如今，大量的投資和創(chuàng )新都投入到功率分析工具中，沒(méi)有簡(jiǎn)單的答案。用戶(hù)不得不在測試的廣泛性和結果的保真度之間做出權衡，并評估在開(kāi)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(kāi)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(wèn)題空間不斷發(fā)展的同時(shí)出現的。Knoth說(shuō)：“當你從有一個(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(méi)有的，看看這對像地方和路線(xiàn)和綜合這樣的事情能做什么是相當迷人的。一旦你開(kāi)始考慮能源與電力，就會(huì )有一些驚人的創(chuàng )新機會(huì )。”

 

 

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