《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于動(dòng)態(tài)頻率的芯片面積功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
詹瑞典1，2，楊家昌1，2
1.佛山芯珠微電子有限公司，廣東 佛山528225；2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006
摘要： 芯片面積和功耗與工作頻率緊密相關(guān)，在保持原有項(xiàng)目設(shè)計(jì)的條件下，利用門(mén)電路在不同頻率下的開(kāi)關(guān)工作原理，提出一種動(dòng)態(tài)頻率閉環(huán)設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)級(jí)綜合優(yōu)化芯片的面積和功耗。通過(guò)篩選滿(mǎn)足條件的多組測(cè)試集，建立頻率與面積、頻率與功耗的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮面積和功耗并計(jì)算出最優(yōu)的頻率。通過(guò)對(duì)一款已流片的芯片進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該方法同原有設(shè)計(jì)方法相比可以減少芯片面積約0.59%、降低功耗約9.01%。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN4
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181522
中文引用格式： 詹瑞典，楊家昌. 基于動(dòng)態(tài)頻率的芯片面積功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(1)：35-38.
英文引用格式： Zhan Ruidian，Yang Jiachang. Area and power consumption optimization based on dynamic frequency[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(1)：35-38.
Area and power consumption optimization based on dynamic frequency
Zhan Ruidian1，2，Yang Jiachang1，2
1.Chipeye Microelectronics Foshan Ltd.，F(xiàn)oshan 528225，China； 2.School of Automation，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China
Abstract： Area and power consumption of an integrated circuit chip is strongly related to its operating frequency. Using the switching principle of the gate-level circuit under different frequencies and keeping the original design, a system level chip area and power consumption optimization method based on dynamic frequency adjustment is proposed in this paper. Firstly, the relationships of area vs. frequency and power consumption vs. frequency are established by choosing the multiple test sets which satisfy the restricting constraints. Secondly, the mathematical models of area vs. frequency and power consumption vs. frequency are derived. Then, the optimal operating frequency is obtained by resolving the models. With a tape out design, the proposed method achieved about 0.59% area shrink and about 9.01% reduction in power consumption.
Key words : dynamic frequency；optimization；closed-loop；system level

0 引言

    隨著消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等市場(chǎng)的快速發(fā)展，低成本、高速、低功耗和多功能的嵌入式系統(tǒng)的需求給集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜功能的單芯片集成度越來(lái)越高，同時(shí)單芯片功耗、成本也隨之增長(zhǎng)。目前，芯片的面積和功耗問(wèn)題制約著芯片性能進(jìn)一步提高，面積優(yōu)化、低功耗設(shè)計(jì)在現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)中越發(fā)重要，頻率、功耗、面積（PPA）指標(biāo)已經(jīng)是集成電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一[1]，通常在流片之前設(shè)計(jì)人員借助EDA工具對(duì)芯片的面積和功耗做一次精確的估算，芯片的面積及功耗是評(píng)估是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的重要參數(shù)之一。

    集成電路設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)抽象層次可分為系統(tǒng)算法級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、邏輯電路級(jí)和晶體管級(jí)。在超深亞微米工藝下的集成電路設(shè)計(jì)中，針對(duì)面積優(yōu)化和低功耗設(shè)計(jì)，從晶體管級(jí)到系統(tǒng)算法級(jí)各層次都有相關(guān)方面的研究，抽象層次越高其優(yōu)化效果越明顯。文獻(xiàn)[2]詳細(xì)講述數(shù)字集成電路在系統(tǒng)級(jí)、寄存器級(jí)、晶體管級(jí)等各個(gè)層次目前主流的低功耗設(shè)計(jì)方法。其中，系統(tǒng)算法級(jí)主要采取的是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、功耗管理等方法降低系統(tǒng)級(jí)功耗。寄存器傳輸級(jí)主要采用編碼技巧、門(mén)控時(shí)鐘等技術(shù)來(lái)減低信號(hào)跳變的次數(shù)。邏輯電路級(jí)和晶體管級(jí)主要是從邏輯表達(dá)式設(shè)計(jì)、先進(jìn)的制造工藝等方法實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。目前減少芯片面積主要采用新的工藝、邏輯電路設(shè)計(jì)等方法來(lái)達(dá)到目標(biāo)，文獻(xiàn)[3]從進(jìn)位選擇器邏輯電路設(shè)計(jì)縮小芯片面積。本文基于一款成功流片的SoC芯片項(xiàng)目，從系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化面積和低功耗設(shè)計(jì)。

1 功耗、面積問(wèn)題分析

    芯片的功耗主要有靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗[3]，計(jì)算門(mén)級(jí)SoC功耗的估算為式(1)：

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    靜態(tài)功耗（Cell Leakage Power）主要是由CMOS電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的漏電流功耗和旁置電路功耗。漏電流功耗可以從工藝庫(kù)中查找對(duì)應(yīng)的功耗，項(xiàng)目一旦完成設(shè)計(jì)，靜態(tài)功耗PLeakageTotal基本就能計(jì)算出來(lái)。相對(duì)于動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)功耗對(duì)集成電路設(shè)計(jì)影響不大[5]，可以忽略不計(jì)，一般低功耗設(shè)計(jì)基本都是針對(duì)動(dòng)態(tài)功耗。

    動(dòng)態(tài)功耗主要由短路電流（Cell Internal Power）和開(kāi)關(guān)電容（Net Switching Power）組成。PSwitching是單元門(mén)器件輸出端i負(fù)載電容充放電的功耗，TR(i)為線(xiàn)i的信號(hào)跳變率，即單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)由低電平到高電平、由高電平到低電平的跳變次數(shù)；CLoad(i)為門(mén)器件輸出端i的線(xiàn)載電容。

    PInternal是由單元門(mén)器件電容充放電、P晶體管和N晶體管在關(guān)閉和打開(kāi)過(guò)程中短路形成的功耗。TR(z)表示器件輸出端的信號(hào)跳變率。從式(3)和式(4)可以看出，動(dòng)態(tài)功耗與信號(hào)的跳變、電容有直接關(guān)系，而工作頻率直接影響信號(hào)的跳變以及電容的充放電，可見(jiàn)，工作頻率與PSwitching、PInternal是強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

    芯片的面積由組合邏輯面積(Combinational Area)、緩沖器和反相器面積(Buf/Inv Area)、非組合邏輯面積(Noncombinational Area)等面積組成。在超深亞微米工藝條件下，邏輯組合電路利用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通、截止的工作特性實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。利用門(mén)電路在不同頻率下的開(kāi)關(guān)工作原理，調(diào)節(jié)時(shí)鐘信號(hào)減少面積，如優(yōu)化邏輯通路不同的時(shí)間延遲，合理規(guī)劃不同觸發(fā)器件的不同延遲，從而實(shí)現(xiàn)面積優(yōu)化[6]。

    面積的大小關(guān)系到芯片的成本，功耗的高低關(guān)系到芯片的性能。在符合功能設(shè)計(jì)要求情況下，面積越小，成本越低，功耗越低，性能越穩(wěn)定。衡量面積與功耗是一種常見(jiàn)的手段，本文針對(duì)已經(jīng)完成設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，保持其性能不變，重點(diǎn)研究如何通過(guò)動(dòng)態(tài)頻率進(jìn)一步綜合優(yōu)化面積和降低功耗。

2 動(dòng)態(tài)頻率閉環(huán)設(shè)計(jì)

    對(duì)于系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體功能要求，一般就基本確認(rèn)芯片的工藝、運(yùn)行工作頻率等參數(shù)要求范圍；其次根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求設(shè)計(jì)約束條件，基于約束條件在EDA工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證；最后通過(guò)精確的功耗和面積估算完成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。其中，工程師只對(duì)設(shè)計(jì)值作出規(guī)定的響應(yīng)，沒(méi)有通過(guò)多次仿真結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)工作頻率，大多都是靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值給定大概工作頻率，按照?qǐng)D1的設(shè)計(jì)流程通過(guò)EDA工具再一次進(jìn)行精確的仿真并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。圖1所示的設(shè)計(jì)流程圖可以認(rèn)為是開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是工作流程簡(jiǎn)單，但最優(yōu)頻率選擇精度不高，自動(dòng)糾偏的能力較弱，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的工程師，存在偏高功耗和面積的風(fēng)險(xiǎn)。

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    由式（1）可知，各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)跳變率決定著芯片功耗，信號(hào)的跳變率由時(shí)鐘源決定，根據(jù)上述分析芯片面積與工作頻率直接相關(guān)。本文不更改原有的項(xiàng)目設(shè)計(jì)，在原有開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)流程(圖1)中，建立反饋和訓(xùn)練通道，動(dòng)態(tài)頻率為調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)頻率閉環(huán)設(shè)計(jì)(如圖2所示)。動(dòng)態(tài)頻率閉環(huán)設(shè)計(jì)通過(guò)多組工作頻率下對(duì)應(yīng)的功耗和面積數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋和訓(xùn)練，建立工作頻率、功耗、面積的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮面積、功耗兩個(gè)重要指標(biāo)，計(jì)算出最優(yōu)的工作頻率實(shí)現(xiàn)優(yōu)化面積和降低功耗設(shè)計(jì)。

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    動(dòng)態(tài)頻率閉環(huán)設(shè)計(jì)流程如圖3所示，主要步驟如下：

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    （1）項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。根據(jù)項(xiàng)目功能設(shè)計(jì)要求，編寫(xiě)時(shí)序等約束條件，并確認(rèn)目標(biāo)頻率的有效范圍。

    （2）實(shí)驗(yàn)仿真。編寫(xiě)腳本，給定頻率初始值，運(yùn)用EDA工具綜合，并給出Timing、Area、Power的報(bào)告。

    （3）數(shù)據(jù)記錄。記錄多組不同的工作頻率下，芯片面積、功耗等相關(guān)參數(shù)。

    （4）數(shù)據(jù)篩選。保持功能不變，篩選所有滿(mǎn)足約束條件的芯片面積和芯片功耗具體參數(shù)。

    （5）建立模型。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，分別建立面積與頻率、功耗與頻率數(shù)學(xué)模型。

    （6）求最優(yōu)解。綜合兩組數(shù)學(xué)模型，并求出工作頻率的最優(yōu)解。

    基于動(dòng)態(tài)頻率閉環(huán)設(shè)計(jì)，相對(duì)于開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)功率閉環(huán)設(shè)計(jì)精度高，選擇最優(yōu)的工作頻率實(shí)現(xiàn)面積優(yōu)化和降低功耗；其次適應(yīng)性強(qiáng)，閉環(huán)設(shè)計(jì)可以適應(yīng)于不同的項(xiàng)目中，無(wú)需具備豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師，有效地減少項(xiàng)目試錯(cuò)成本，提高項(xiàng)目設(shè)計(jì)效率。本文基于一款已經(jīng)成功流片0.11 μm工藝的SoC芯片，項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作頻率為50 MHz，實(shí)際功能需求最低功耗為36 MHz，運(yùn)用本方法在這一款芯片上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化面積和降低功耗設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

    根據(jù)動(dòng)態(tài)功耗閉環(huán)設(shè)計(jì)，篩選通過(guò)約束條件的芯片面積和芯片功耗的數(shù)據(jù)，通過(guò)曲線(xiàn)擬合分別建立面積&時(shí)鐘周期和功耗&時(shí)鐘周期的數(shù)學(xué)模型，如圖4、圖5所示。

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    其中，由圖4建立芯片面積與時(shí)鐘周期的數(shù)學(xué)模型如式(5)所示：

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    通過(guò)計(jì)算可知，時(shí)鐘周期t=22 ms，工作頻率f=1/t=45 MHz是本設(shè)計(jì)的最優(yōu)解。表1和表2分別為工作頻率45 MHz和50 MHz下仿真測(cè)試記錄的芯片面積和芯片功耗數(shù)據(jù)。

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    根據(jù)表1、表2可以看出，工作頻率45 MHz下的芯片總體相對(duì)比原有工作頻率50 MHz下的芯片面積縮小約0.59%，其中組合邏輯面積縮小1.17%，緩沖器和反相器面積縮小1.36%。芯片的功耗相對(duì)比面積優(yōu)化幅度更加明顯，工作頻率45 MHz下的芯片總體功耗相對(duì)比原有工作頻率50 MHz下的芯片功耗減少9.01%，其中短路電流功耗和開(kāi)關(guān)電容功耗分別減少9.09%、9.10%。

4 結(jié)論

    保持原設(shè)計(jì)不變，本文基于系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)功耗閉環(huán)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少面積和降低功耗，通過(guò)數(shù)據(jù)收集及仿真分析表明：本文提出的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)可以取得較好的優(yōu)化面積和功耗，在實(shí)際工程中具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[6] NEVES J L，F(xiàn)RIEDMAN E G.Optimal clock skew scheduling tolerant to process variations[C].33rd Design Automation Conference Proceedings，1996.



作者信息:

詹瑞典1，2，楊家昌1，2

(1.佛山芯珠微電子有限公司，廣東 佛山528225；2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006)

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