低功耗总结

  • 一、理论基础
  • 二、低功耗设计和检查
  • 2.1 低功耗设计流程
  • 2.2 低功耗设计检查
  • 2.3 低功耗仿真


一、理论基础

  • CMOS电路中的功耗分为:静态功耗和动态功耗。
    静态功耗是由漏电电流引起的；
    动态功耗分为翻转功耗和短路功耗，翻转功耗是由0和1翻转所引起的功耗，而短路功耗则是由于PMOS和NMOS都导通所引起的功耗。
  • UPF(uniform power format)是业界被广泛采用的低功耗设计和验证的描述文件格式，在RTL代码中插入UPF指令，通常需要做的是定义电压域、定义电源的状态、定义对特殊信号的隔离保持以及寄存器的保持等等，在RTL仿真过程中添加UPF进行仿真，保证中电压域，隔离单元、寄存器保持等低功耗设计的准确性。
  • 所谓的低功耗设计是指：多电压域设计，实现过程中在原有功能逻辑基础上插入低功耗单元，如：Isolation cell,Level shifter,Retention register,Power switch等
  • 为了关断电源，需要在电源网络和电路之间建立一个电源控制电路，它们被称为电源开关（power switching cell),在需要关断的时，控制power switching cell将电路的供电关闭，否则打开，提供电源；
  • 由于电源关断之后，其输出信号就没有电路驱动了， 对于其驱动的电路来说，就会出现输入浮空的状态。为了解决这个问题，就需要在关闭电源的电路输出端添加一个额外保持电路，当其电源关闭后保持输出，而电源打开时，保持电路则表现的像一个Buffer,输出等于输入即可。同时，如果被被关闭电源的电路输入固定电压，也可能产生对地的电流，就需要一个特别的单元对该部分电流进行保护。这样的单元被称为隔离单元(Isolation cell)。一般来说，Isolation cell的输出部分有较大的电容负载，也就是说Isolation cell的延时将会比较大，对时序有一定的影响，是需要注意的。
  • 对于寄存器来说，如果断电，则原有的数据无法保存，重新打开电源后，就一定会出现原有的数据丢失的情况。因此可以为一些必须要保持数据的寄存器建立一个备份设备，电源关闭前，将寄存器的数值保存到备份设备上，电源打开之后从备份设备上将数据重新写入到寄存器中。这种设备叫做保存寄存器（Retention Register Cell)
  • 对于power swithcing cell, Isolation cell以及Retention Register celll,它们上电之后是不能关闭的，因此使用的电源也和正功能的不同，这些单元被称为常开逻辑单元（Always-on Logic cell)。

二、低功耗设计和检查

2.1 低功耗设计流程

架构设计确定电压域划分->designer负责power intern<1801>编写->验证人员完成low power verification
关于UPF的设计,大家可以参考《IEEE 1801》，本文在这不做详细介绍。

2.2 低功耗设计检查

CLP工具可以用作低功耗UPF的检查。目前来说，建议新用户使用UPF2.1来表述power intent,对于UPF CLP的基本脚本如下：

set lowpower option -local_constants -no_use_strategy_location_as_hierarchy
##RTL check
set lowpower option -native_1801 -analysis_style pre_syn
##post-syn check has inserted lp cells
##set lowpower option -native_1801 -analysis_style post_syn
##P&R netlist has pg connection
##set lowpower option -native_1801 -analysis_style post_route

read library -liberty -lp <*file....>
analy
analyze library -lowpower
read design -define SYNTHESIS -merge bbox -lastmod -noelab -sv09 -f rtl_file.f elaborate_design -root XXX -rootly
run library check -used

read power intent <power spec> -1801

上述脚本中set lowpower option,用于指定power intent是CPF/UPF/1801,用于指定分析时针对哪个阶段的设计，用于指定constant signal的power domain信息等。其他option请参考clp user guide。

运行以下脚本：

lec -lp -verify -gui -1801 -dofile qc_presim.do

建议使用GUI来check clp的结果，然后点击类似电池的图标（1801 Rule Manager）,如图：

android低功耗流程 低功耗下载_寄存器

如上图所示，工具将所有的violation归类，绿色的表示没问题不用关注，红色的表示有violation需要特别关注，黄色的表示有warning一般也需要关注。
点开其中一个violation,右键直接点report rule check,就能够得到该violation的详细信息，同时还可以右键查看schematics,去追电路。
在debug过程中，基本上用report lowpower information和report crossing path这两条命令就可以解决大部门的问题。

2.3 低功耗仿真

完成upf文件的编写和检查之后，就可以在仿真case中添加电源的上电过程了，使用$supply_on函数给相应的VDD上电（$supply_off函数可以用来掉电），然后，将UPF添加到仿真命令中，即：
irun -lps_1801 xxx.upf -lps_assign_ft_buf -lps_iso_verbose
其他仿真工具vcs、ncvlog等也可以。
相关option解释

options name

describe

-lps_1801 filename

指定符合IEEE1801标准的UPF文件

-lps_assign_ft_buf

指定assign赋值被当做buffer对待，而非默认的wire,好处是从always_on domain进入和穿过的power_down domain的信号被force成x,方便debug

-lps_const_aon

对处于power_down domain并且直接和always_on domain相连接的tie_low和tie_high constant,不使能corruption功能，默认是不使能该功能的

-lps_enum_rand_corrupt

对于用户定义的enum类型数据，在电源关断后，随机从枚举列表中选择变量值为变量值，该命令跟-lps_enum_right,-lps_implicit_pso等类型

-lps_iso_verbose

使能isolation的log功能，一般需要加上

-lps_verify

使能自动低功耗检查:断电顺序（隔离->复位->断电）和电源打开过程（上电->解复位->解隔离）

注：其他的option请参考low-power simulation guide或者直接查看相关仿真工具手册

仿真之后，verdi查看结果如下：

android低功耗流程 低功耗下载_android低功耗流程_02

从仿真中可以看出，中间count不定态的部分就是VDD掉电的部分，持续一段时间后，又重新上电，恢复了。