【導讀】最小化功耗是促進(jìn)IC設計現代發(fā)展的主要因素，特別是在消費電子領(lǐng)域。設備的加熱，打開(kāi)/關(guān)閉手持設備功能所需的時(shí)間，電池壽命等仍在改革中。因此，采用芯片設計的最佳實(shí)踐來(lái)幫助降低SoC（片上系統）和其他IC（集成電路）的功耗變得非常重要。
最小化功耗是促進(jìn)IC設計現代發(fā)展的主要因素，特別是在消費電子領(lǐng)域。設備的加熱，打開(kāi)/關(guān)閉手持設備功能所需的時(shí)間，電池壽命等仍在改革中。因此，采用芯片設計的最佳實(shí)踐來(lái)幫助降低SoC（片上系統）和其他IC（集成電路）的功耗變得非常重要。
根據市場(chǎng)研究未來(lái)，131 年全球片上系統市場(chǎng)價(jià)值為 83.2021 億美元，預計到 214 年底將達到 8 億美元，2030 年至 8 年的復合年增長(cháng)率為 30.2021%。芯片的性能受 SoC 和 RTL 設計的電源管理的影響很大。為了獲得功耗統計，工業(yè)采用功耗感知設計。
本博客的重點(diǎn)是多電壓設計術(shù)語(yǔ)，這些術(shù)語(yǔ)可用于HDL編碼以確定硅的功率性能。這些有助于在將功耗意識設計付諸實(shí)踐時(shí)理解設計參數。
多電壓設計（多電壓電源域）方法
電源與動(dòng)態(tài)功率有直接關(guān)系，動(dòng)態(tài)功率包括開(kāi)關(guān)和短路電源。因此，降低功耗自然會(huì )提高功率性能。閾值電壓降低會(huì )導致柵極延遲增加。降低 SoC 模塊的電壓可能是用于滿(mǎn)足電源性能目標的第一個(gè)設計實(shí)現方案。在圖1中，系統顯示了不同的電壓電平。
圖1
降低電壓會(huì )降低電流并增加柵極延遲，這意味著(zhù)設計可能無(wú)法以所需的時(shí)鐘頻率運行。降低電壓可能會(huì )降低性能統計數據，但仍可以滿(mǎn)足性能，如圖1所示。在這里，VLSI芯片性能是通過(guò)降低不同模塊的單獨電壓來(lái)實(shí)現的。
圖1也可以稱(chēng)為多VDD設計。邏輯被劃分到稱(chēng)為電源域的不同域中。結構模型或源自行為Verilog的門(mén)級網(wǎng)表為每個(gè)域使用不同的電壓線(xiàn)?？梢愿鶕阅苣繕诉\行各個(gè)域。圖 2 顯示了相同的詳細說(shuō)明。
圖2
許多公司使用IEEE標準1801-2018統一電源格式UPF 3.1得出的功率意圖來(lái)定義芯片的功率參數。電源架構師利用此技術(shù)創(chuàng )建描述電氣設計的電源和功率控制意圖的文件。電源組、電源開(kāi)關(guān)、電平轉換器和存儲器保持技術(shù)都包含在注釋中。電源狀態(tài)、轉換、模擬狀態(tài)的集合、網(wǎng)絡(luò )的 PG（電源/接地引腳）類(lèi)型和功能屬性，以及有助于逐步細化電源意圖的 -update 參數都是施加到電子系統的潛在功率的可定義描述。
創(chuàng )建多電壓設計的要求
電平轉換器
如圖3所示，電平轉換器將改變電壓電平，以確保在連接LS（電平轉換器）電路時(shí)，在不同電壓下工作的不同模塊將正常工作。這些電路以HDL實(shí)現，也可以用于實(shí)現驅動(dòng)強度。該圖顯示了低電壓到高壓電平轉換器（A）和高電壓到低壓電平轉換器（B）。Vi和Vo是不同模塊中不同電壓電平的源和目的地。
圖3
功率門(mén)控
圖4中的方法稱(chēng)為“斷開(kāi)未使用的門(mén)的電源”。該圖顯示了這種情況的實(shí)現。電源門(mén)控用于降低漏電功率。此步驟在架構級別執行，同時(shí)計算低功耗模塊的性能因素，或在其他優(yōu)先級模塊打開(kāi)時(shí)處于休眠狀態(tài)的模塊，或通過(guò)軟件斷開(kāi)電源的模塊，或在關(guān)閉電源時(shí)。
電源門(mén)控與現代傳統術(shù)語(yǔ)（如設備的睡眠/喚醒事件）一起使用。喚醒和睡眠序列遵循某些架構決策，以啟用或禁用控制芯片電源邏輯的操作序列。
圖4
在實(shí)施電源門(mén)控時(shí)必須特別小心，因為來(lái)自電源門(mén)控模塊的輸出信號會(huì )帶來(lái)特殊的挑戰。這考慮了微體系結構級別的隔離和保留策略，同時(shí)執行喚醒或睡眠序列。在電路中放置保持和隔離策略的電路不應影響功率性能因數。
保留單元用于保存芯片的狀態(tài)，以便在模塊的喚醒序列期間使用。圖 5 顯示了在斷言保存序列時(shí)保存的狀態(tài)。Vdd_sw（開(kāi)關(guān)電源電壓）由開(kāi)關(guān)控制，Vdd始終開(kāi)啟電壓以上電電路。當保存（保存序列）被置位時(shí)，模塊的輸出被鎖存并可作為反饋。
圖5
圖6顯示了當關(guān)斷或休眠階段與接收端隔離時(shí)引入隔離單元的位置。隔離單元使它們保持關(guān)閉狀態(tài)，并將輸出阻止為預定義的值。通過(guò)這種方式，連接隔離單元以減少撬棍電流，從而減少電源泄漏。
圖6
時(shí)鐘門(mén)控
這種方法稱(chēng)為在沒(méi)有活動(dòng)要執行時(shí)電路未遇到內部信號切換時(shí)關(guān)閉時(shí)鐘轉換。這有助于控制功率方程的轉換頻率。幾乎所有的 EDA 工具都能識別并支持這一點(diǎn)。
SoC 的復雜性不斷擴大，對電源管理提出了新的需求。各種SoC電源域的電源必須足夠靈活，以便由開(kāi)發(fā)人員控制，以控制功耗并提高電池自主性。仔細的功耗分析和對手頭工具功能的了解是選擇最佳解決方案的先決條件。通過(guò)在設計流程中盡早分析電力需求，可以預防與電力相關(guān)的危機。通過(guò)早期分析，功耗目標也更容易實(shí)現，因為更高級別的技術(shù)可以節省最多的功耗。
（作者：Sarth Rana）
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