作者Lefeng.Shao

從低功耗設(shè)計驗證工具LPC，到門級功耗靜態(tài)分析工具GPA，再到RTL級功耗分析工具RPA，英諾達在低功耗設(shè)計EDA工具道路上一年內(nèi)連邁三大步，書寫著本土EDA一次又一次的創(chuàng)新突破。

繼2022年11月發(fā)布EnFortius凝鋒系列第一款低功耗設(shè)計驗證工具(Low Power Checker, LPC)，2023年4月發(fā)布第二款數(shù)字電路門級功耗靜態(tài)分析工具(Gate-level Power Analyzer, GPA)之后，11月，英諾達推出了一年內(nèi)的第三款低功耗工具——RTL級功耗分析工具(RPA)，向業(yè)界展示了公司持續(xù)深耕功耗優(yōu)化之路的決心和實力。

低功耗設(shè)計，下一個IC設(shè)計創(chuàng)新的突破點

如何降低功耗目前已經(jīng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的熱點問題。 從大環(huán)境來看，過去的40年里，世界人口總數(shù)從40億增長至75億。但與此同時，全球用電量的速度卻從40年前的6000特瓦時增加到現(xiàn)在的24000特瓦時，這意味著每人所消耗的電量在過去40年中平均增加了兩倍，遠遠高于人口增長速度。毫無疑問，這一趨勢跟我們40年內(nèi)消費習(xí)慣、生活習(xí)慣的改變有著密不可分的關(guān)系，最具代表性的應(yīng)用新能源汽車的大量涌現(xiàn)，極大帶動了二次能源的使用量。 人與人之間交流方式的改變也對此產(chǎn)生了重要的影響。貝爾先生發(fā)明電話的時候，使用很少的電量就可以維持長距離通信，但對比之下，現(xiàn)在的移動電話完成同樣距離通信所消耗的單位能量發(fā)生了顯著提升。

如果再考慮AI、5G、機器學(xué)習(xí)、智能駕駛、大數(shù)據(jù)處理這些新興技術(shù)對電量和能量密度的需求，電氣化發(fā)展的速度實在是令人感到驚嘆。 于是，對芯片設(shè)計公司或制造商來說，在保證芯片性能的情況下，盡可能做到低碳、節(jié)能和環(huán)保，成為了企業(yè)發(fā)展的必選項。 但一個無法忽視的問題是，當(dāng)IC設(shè)計的規(guī)模越來越大，功能和復(fù)雜度越來越高時，不斷增加的功耗密度，成為了阻礙高性能芯片開發(fā)的一道壁壘。AMD CEO Lisa Su在ISSCC 2023上就曾指出，“超級電腦的算力可以每1.2年就翻倍，但是能耗效率的進展卻是每2.2 年才能夠翻倍”，“現(xiàn)在要讓半導(dǎo)體的算力增加的最大瓶頸，其實不是算力本身而是能耗效率”。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計工程師們運用了各種先進的低功率設(shè)計技巧，業(yè)界也推出了IEEE 1801標準(UPF)來描述功耗設(shè)計意圖，該標準定義了從RTL到GDS全流程的低功耗管理設(shè)計意圖，幫助功耗的優(yōu)化以及相關(guān)的設(shè)計驗證與實現(xiàn)。 對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，通過先進的制程工藝和EDA工具來提高芯片性能，不斷提升能耗效率，肯定是一條康莊大道。但如果因為一些特定的原因使得我們無法再去使用它們來獲得高水平設(shè)計時，能否通過扎實的技術(shù)功底和寬厚的設(shè)計經(jīng)驗，找到另外一些有效提升產(chǎn)品競爭力的途徑？既是挑戰(zhàn)也是機遇。而這其中，低功耗設(shè)計工具配合創(chuàng)新的架構(gòu)和設(shè)計方法學(xué)，就被業(yè)界普遍看好。

早期功耗分析的重要性與挑戰(zhàn)

不論是先進工藝IC設(shè)計還是成熟節(jié)點IC設(shè)計，在芯片設(shè)計全流程中，持續(xù)追蹤、獲取準確的功耗數(shù)據(jù)對設(shè)計團隊是至關(guān)重要的，這不僅意味著功耗水平在設(shè)計中的各個抽象階段(RTL級、門級)和層級(SoC級、Block級)是透明、可控的，驅(qū)動設(shè)計團隊做出更好的設(shè)計決策。同時，通過對功耗的持續(xù)管理和優(yōu)化，還可以提高設(shè)計效率、節(jié)省因功耗而產(chǎn)生的迭代成本。

尤其在IC設(shè)計階段的早期(RTL階段)，對功耗進行準確且一致的評估分析，為芯片的設(shè)計提出修改建議，功耗設(shè)計優(yōu)化的效果是最好的。因為這個階段抽象層級高，修改的靈活度也更高。換句話說，越早介入，優(yōu)化手段越多，收益越大；越早介入，能越早反饋，快速迭代，從而節(jié)省時間和成本。反之，越是在后期，優(yōu)化的空間也就越小，長期以來的實踐已經(jīng)證明，在低抽象級別比在高級抽象級別降低功耗更加困難。因此，在RTL階段需要重復(fù)執(zhí)行功耗估算，并針對不同的設(shè)計架構(gòu)進行功耗比較，以最終評估并提高設(shè)計的能耗效率。

另一方面，要知道大部分SoC設(shè)計不是在晶體管級別上進行的，而是在寄存器傳輸級別(RTL)上進行的，或者是使用通用功能的單元庫合成的更高級別的代碼。這其中包含許多“低功耗”單元庫，設(shè)計師可以利用邏輯合成工具快速測試多種單元庫的組合，以滿足PPA目標。功耗會影響芯片的電源完整性和熱特性，因此必須在物理設(shè)計階段就解決這些問題，并在signoff期間進行確認。

但是，在這個過程中，由于沒有經(jīng)過邏輯綜合，缺少物理信息等重要的數(shù)據(jù)，要準確對功耗進行預(yù)估是非常困難的。設(shè)計團隊需要仿真數(shù)據(jù)，工藝庫文件以及其他參考數(shù)據(jù)才能一步步接近真實的功耗，所以設(shè)計團隊需要一套先進的工具和設(shè)計流程，以在早期獲得準確的功耗數(shù)據(jù)。 如果從整個流程看，越早考慮功耗收益越大，但是估算精度往往不夠精確。到了設(shè)計流程后期，特別是物理實現(xiàn)之后，功耗的估算會更精確，但此時可采用的功耗優(yōu)化方法與優(yōu)化的程度又都比較有限。

因此，目前在該領(lǐng)域存在“優(yōu)化效率與估算精度難兩全”的困境。對功耗靜態(tài)分析而言，盡管設(shè)計流程早期的功耗估算考慮到了時鐘樹、關(guān)鍵IP的建模、CPU/GPU/APU的廣泛使用、復(fù)雜macro IP等因素，但也還要考慮到后端物理實現(xiàn)的影響。這種情況下，芯片工程師需要全面的低功耗設(shè)計解決方案，包括兼具速度與精度的功耗分析工具。

英諾達早期功耗分析的EDA解決方案

英諾達EnFortius RPA靜態(tài)分析工具正是為了解決上述挑戰(zhàn)而生的，主要是用于估算RTL階段IC功耗，可以幫助用戶在設(shè)計早期獲取準確的功耗數(shù)據(jù)，找到設(shè)計中的功耗熱點，優(yōu)化電源管理策略，從而降低電路功耗。該款工具支持行業(yè)標準輸入文件，包括System Verilog、提供工藝庫單元數(shù)據(jù)的Liberty文件、提供信號活動信息的SAIF/FSDB文件、以及提供寄生參數(shù)信息的SPEF文件。 而為了進一步提高功耗估算的準確性，EnFortius RPA采用了英諾達自主開發(fā)的創(chuàng)新高效數(shù)據(jù)和算法架構(gòu)；高效邏輯綜合、門控綜合與時鐘樹綜合引擎與物理線網(wǎng)模型，既能夠在面對超大規(guī)模設(shè)計(等效邏輯門過億)時快速完成功耗計算，也可以通過參考設(shè)計的現(xiàn)有物理數(shù)據(jù)完成更準確的線網(wǎng)電容估算。?

同時，EnFortius RPA還實現(xiàn)了四個“支持”：

支持單元庫標準Liberty中各類常用的功耗模型，包括狀態(tài)相關(guān)漏電功耗模型(state-dependent leakage power model)和狀態(tài)及路徑相關(guān)內(nèi)部功耗模型(state dependent-path-dependent internal power model)；

支持業(yè)界標準信號活動文件(SAIF)中各種信號活動率信息，包括狀態(tài)相關(guān)信號活動模型(state-dependent switching activity model)；

支持具有不同電壓的多電壓域功耗分析；

支持各類指標分析和報告，例如各邏輯層級和邏輯組的動態(tài)及靜態(tài)功耗，時鐘門控比(CGR)和時鐘門控效率(CGE)等。

至此，英諾達實現(xiàn)了在設(shè)計全流程中低功耗管理、優(yōu)化的初步方案。也就是說，在低功耗設(shè)計策略方面，英諾達的EnFortius LPC可以在設(shè)計的全流程對電源的管理意圖的正確性進行檢查；而為了解決“優(yōu)化效率與估算精度難兩全”的難題，EnFortiusRPA和門級功耗分析工具(GPA)通過輸入設(shè)計、信息活動信號和物理參數(shù)等文件，既可以實現(xiàn)早期對功耗數(shù)據(jù)的估算、了解功耗的整體趨勢，也可以在設(shè)計后期掌握精準的功耗數(shù)據(jù)。 而這其中，最主要的信號活動文件的來源則由英諾達的EnCitius曜奇SVS的硬件仿真加速器來提供，二者相互配合，可以實現(xiàn)對設(shè)計的快速迭代。除此之外，英諾達正在開發(fā)的功耗優(yōu)化工具可以通過以上工具的分析評估結(jié)果，在早期對功耗進行系統(tǒng)及全面地優(yōu)化。

結(jié)語

從低功耗設(shè)計驗證工具LPC，到門級功耗靜態(tài)分析工具GPA，再到RTL級功耗分析工具RPA，英諾達在低功耗設(shè)計EDA工具道路上一年內(nèi)連邁三大步，書寫著本土EDA一次又一次的創(chuàng)新突破。展望未來，考慮到PPA的總體目標不能僅僅集中在功耗上，行業(yè)更期待英諾達能繼續(xù)提供端到端的全流程低功耗解決方案來提高能耗效率，幫助用戶推出更有競爭力的IC產(chǎn)品。

審核編輯：黃飛

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