数字IC设计——功耗分析

一、概述

芯片的整体功耗很难通过简单的电流，电压或者电阻值的的相乘来计算。其原因在于，由于芯片作为具有复杂功能的器件，其功耗会根据其不同时段的不同行为，不同的外部条件而发生很大的变化。

1.1 功耗的分类

数字IC芯片的功耗分为静态功耗和动态功耗。现代数字IC基本采用CMOS晶体管，它在稳定工作状态时几乎没有功耗，即静态功耗几乎为0，因此对CMOS电路功耗起支配作用的是由充电和放电电容引起的动态功耗。

peak power
average power

1.2 芯片的翻转率

参考文章：SOC设计中一种提取翻转率用于IR-drop分析的方法
翻转率表示单位时间里信号（包括时钟，数据等信号）的翻转次数。通常由前端工程师在pre-layout阶段释放给后端工程师用来进行PG网络，IR-drop分析的输入值。
DUT中模块翻转率情况：

可使用PTPX提取设计的翻转率，详细参见下文4.1节。

二、 芯片的动态功耗

2.1 功耗来源

芯片在工作工程中，晶体管处于跳变状态所产生的功耗，包括动态开关电流引起的动态开关功耗（或跳变功耗），以及短路电流引起的短路功耗两部分。因此对于动态功耗，所占最大比例的就是clock信号。

动态功耗由于和芯片的功能息息相关，因此在计算的时候会引入翻转率(toggle rate)的概念。翻转率是衡量单位时间内device上信号翻转时间所占的比率。在实际计算dynamic功耗的时候，又会分成两个部分。
一部分为标准单元内部的dynamic功耗，又名Internal Power，这部分的计算是嵌入liberty库文件内部，通过标准单元的input transition和output load来查表得到的；
另一部分为互连线(net)上的开关功耗，这部分的计算通过将所有net上每个翻转周期的功耗乘以其翻转率并相加得到。翻转率通过某种固定格式的文件传入EDA工具，比较常用的格式有SAIF(Switching Activity Interchange Format)、VCD(Value Change Dump)以及FSDB(Fast Signal Database)文件。

2.1.1 开关功耗

输出电压在跳变过程中，对负载电容充放电时会有一部分能量被损耗在PMOS和NMOS管中，该部分损耗即为开关功耗。

如下式为计算一个CMOS的开关功耗公式
f为开关频率，P为开关因子，即该门的输出段引起0 -> 1跳变事件的概率。
$$P_{dyn}=C_L{V}_{DD}^{2}fP$$

2.1.2 internal Power

贡献internal power的因素应该分为两个因素：
一是信号翻转时由于NMOS和PMOS同时导通而产生的短暂但巨大的贯穿电流，在开关的一小段时间内，PMOS和NMOS存在都导通的状态，导致VDD直接与GND相连并产生短路电流和功耗。
二是给内部和外部负载充放电所消耗的能量。

参考链接：低功耗设计基础：深入理解Internal Power

三、 芯片的静态功耗

四、EDA工具进行功耗分析

4.1 基于VCS+power compiler的功耗分析

参考文章：低功耗设计入门（二）——功耗的分析

• 功耗分析与流程概述
• 无向量分析法
• SAIF–RTL BACK分析法
• SAIF–GATE分析法
• VCD转SAIF分析法
• 功耗分析报告

PrimeTime PX

PrimeTime是synopsys开发的一款专门的静态时序分析软件，PrimeTime PX是集成在软件中的一个工具，可以用来对Design Compilier(DC)综合后的V文件进行功耗分析。PrimeTime的一个特点就是它对功耗的分析比DC给出的功耗信息要精确得多，所以一般采用PTPX进行功耗分析。

输入文件

1. 网表文件
2. 静态时序分析的sdc文件
3. 带功耗信息的db文件
4. RTL仿真过程vcd文件

Prime Time PX的翻转率提取

运行模式

• average mode
  开发早期可使用，无需波形等数据
• Time based mode
  后期可用，可载入波形，形成功耗趋势图，反应峰值功耗和平均功耗，数据更加准确

report

功耗曲线

结果分析

PrimeTime PX(Power Analysis) userguide阅读笔记

primepower RTL

在RTL阶段进行功耗分析。
相比于DC，可通过fast synthesis进行综合，获取时序信息。时间上可减小5倍左右，精度损失大致位15%

primepower

在网表阶段进行功耗分析
由PrimeTime PX更新而来