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芯片设计过程中可能会出现的有关功耗的关键考量因素

新思科技 2021-03-05 17:00 次阅读

在芯片设计领域,功耗始终是最重要的考量因素之一。芯片设计开发者们一直在努力优化功耗和性能目标,“低功耗”已然成为人们一直挂在嘴边的口号。然而高性能计算 (HPC) 和人工智能 (AI) 等应用需要更复杂的芯片,这也将成为改变功耗的影响因素之一。

在这篇文章中,我们将会探讨今年在芯片设计过程中可能会出现的有关功耗的关键考量因素。

2019年底Cerebras 推出了世界上最大的芯片,晶圆级引擎 (WSE),面积为 46,225mm²,集成了 1.2 万亿个晶体管和 40万个经过 AI 优化的内核,并已成为该公司 Cerebras CS-1 深度学习系统的核心元件。如果考虑面积超过 800mm² 芯片的物理特性,我们会发现,只有小心翼翼地管理功耗,才能获得同等的性能优势。由于 AI 所需的海量计算力会持续增长,芯片规模也会不断变大,携带更多晶体管,或变成垂直架构。

温度是限制芯片性能的关键因素之一。

一个晶圆上分布着大量的晶体管,如此高的密度使得结温升高,从而导致芯片性能下降。由于功率会严重限制芯片性能,设计人员因此必须考虑热失控问题。EDA公司越来越重视温度因素,并将其视为与PPA(性能、功耗、面积)同等重要的芯片设计目标。

垂直架构的优点之一是不必将所有晶圆置于同一几何层面,设计人员因此可以在各个给定的晶圆中,运用最适合现有任务的工艺节点,更加合理地管理整体功耗。但3DIC仍然面临着一个难题,即如何在不损耗电压的情况下,为设备上的所有部件输送电力。

因此,保持电源完整性并拥有高效的电力输送网络变得尤为关键,尤其是对于那些规模较大的芯片来说。设计人员在从 A 点向 B 点输送电压时,都会竭力减少压降。

然而在较低的几何层面,总电容还是会升高。当栅极电容升高时,动态功耗就会随之增加,所以设计人员需要从功能角度出发,研究并寻求更加出色的监控以及动态和静态 IR 压降。

动态 IR 压降是另一个难题,因为它和芯片行为密切相关。

如何获得一个正确的向量来代表它在现场实体系统中的行为方式,大都取决于其正在执行的功能。然而向量的质量是进行动态功耗分析和优化的首要因素,为此,基于仿真的功耗分析提供了一种解决方案。

比如,在真正的SoC设计系统上运行某一实际应用时,业内最快的仿真系统ZeBu Server 4 可以准确定位到右侧窗口/向量,从而为功耗分析提供支持。设计人员从而能够更加准确地判定 SoC 的功耗,并相应地调整 RTL。

管理物联网(IoT) 设计中的功耗

虽然用于AI等应用的芯片越来越大,但另一方面,电池供电的IoT设备却越来越多。这些设备的芯片不断缩小,且低功耗是延长电池使用寿命和提高设备性能的关键。

这些应用的芯片越来越多地采用更先进的工艺节点(例如 7nm、5nm 或 3nm 节点)和遍布整个架构的栅极,因此漏电问题需要格外重视。

当运行电压较低时,设计人员则需要多加关注晶体管之间的差异以及时序问题。

时钟门控历经多年发展取得了明显进步,由简单的时钟门控发展为自门控,继而实现顺序时钟门控,多年来,时钟门控都是降低功耗最为得心应手的法宝。

而动态电压调节 (DVS) 也是非常常见的降耗技术,许多设计都开始改用这种更先进的自适应电压频率调节 (AVFS) 方法。2020 年 11 月,新思科技收购 Moortec,这是一家专门提供工艺、电压和温度 (PVT) 传感器芯片监控技术的领先供应商。

Moortec 传感器是新思科技硅生命周期管理 (Silicon Lifecycle Management, SLM) 平台的重要组件,它能够提供芯片数据,帮助设计人员在其设计成果的时钟网络上更加从容地控制电压。

这一特点也为开展分析工作创造了重大机遇,由于它能够评估各个芯片的构成,并在设备的整个生命周期内不断测量动态条件,因此也使得在芯片和整个产品级别同时实现功耗优化成为可能。

新思科技提供了一个软件驱动的低功耗平台,包括架构分析,模块 RTL 功耗分析,以及SoC 功耗分析和优化的各种功能。该平台具体包括:

● 新思科技 Platform ArchitectTM Ultra,用于多核 SoC 架构的早期性能和功耗分析及优化;全面展示功耗趋势以便作出更加合理的决策,为指定设计选择合适的架构和 IP

● 新思科技 VCS 功能验证解决方案

● 新思科技 SpyGlass Power,用于 RTL 功耗优化;快速得出结果,可及时编辑 RTL

● 新思科技 RTL Architect(物理感知 RTL 分析、优化及签核)和 PrimePower RTL( RTL 功耗估算),为更加成熟的 RTL 代码提供准确性保障

● 新思科技 DesignWare IP,具有功耗感知内核及经过功耗优化的元件库

● 新思科技 ZeBu Server 4 仿真系统

● 新思科技 Fusion Compiler RTL-to-GDSII 数字实现解决方案,能够从前端到后端全面优化设计的功耗

● 新思科技 RedHawk Analysis Fusion,集成新思科技 IC Compiler II 和 Fusion Compiler,能够提供in-design电源完整性分析和修复功能

● 新思科技 TestMAX 系列测试自动化解决方案能够生成节能型向量,确保在自动化测试设备 (ATE) 上测试 SoC

● PrimePower 门级功耗分析和金牌功耗签核

这一低功耗平台可以涵盖 SoC 设计流程的每一步,使得设计人员能够从流程之初就开始考量并优化功耗。

AI 等应用的芯片越来越大,而 IoT 的芯片却越来越小。这些趋势极其明确地告诉我们,功耗考量需要未雨绸缪。

责任编辑:lq

原文标题:新思出品 | 2021年,功耗那些事

文章出处:【微信号:Synopsys_CN,微信公众号:新思科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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MAX20766EPE+ Maxim Integrated MAX20766智能从设备IC

Integrated MAX20766智能从设备IC设计用于用于搭配Maxim第七代控制器使用,实现高密度多相稳压器。多达六个智能从设备集成电路加一个控制器集成电路,组成紧凑的同步降压转换器,它可以通过SMBus/PMBus™实现精确的单独相电流和温度报告。 Maxim MAX20766智能从设备IC为过热、VX短路和所有电源UVLO故障提供多种保护电路。如果检测到故障,则该器件立即关断,并向控制器IC发送信号。 MAX20766采用16引脚FCQFN封装(具有裸露的顶部散热焊盘)。顶部散热改善...
发表于 11-09 09:07 71次 阅读
MAX20766EPE+ Maxim Integrated MAX20766智能从设备IC

ICS-40730 TDKInvenSenseICS40730低噪声麦克风

venSense ICS-40730低噪声麦克风是一款差分模拟输出、底部端口式微机电系统 (MEMS) 麦克风。ICS-40730集成有MEMS麦克风元件、阻抗转换器、差分输出放大器和增强型射频封装。该款低噪声麦克风具有高达74dBA的SNR、-32dBV差分灵敏度、-38dBV单端灵敏度、124dB SPL声学过载点以及±2dB灵敏度容差。典型应用包括智能家居设备、智能手机、电话会议系统、安防、监控、麦克风阵列、语音控制和激活。 特性 74dBA超高SNR 灵敏度: -32dBV差分灵敏度 -38dBV单端灵敏度 ±2dB灵敏度容差 非反相信号输出 25Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频性能 285µA电流消耗 124dB SPL...
发表于 11-09 09:07 177次 阅读
ICS-40730 TDKInvenSenseICS40730低噪声麦克风

MAX22025AWA+ Maxim Integrated MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器

Integrated MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器可在器件的电缆侧(RS-485/RS-422驱动器/接收器侧)和UART侧之间提供3.5kVRMS数字电流隔离。当两个端口之间存在较大的接地电位差时,隔离通过中断接地环路来改善通信,并降低噪声。这些器件允许高达0.5Mbps或16Mbps的稳健通信。 MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器具有Maxim专有的AutoDirection控制功能,因此非常适合用于隔离式RS-485端口等应用,其中驱动器输入与驱动器使能信号搭配使用以驱动差分总线。 MAX22025、MAX22027、MAX22025F和MAX22027F具有较低压&#...
发表于 11-09 09:07 124次 阅读
MAX22025AWA+ Maxim Integrated MAX2202x/F隔离式RS-485/RS-422收发器

ICS-40212 TDKInvenSenseICS40212模拟麦克风

venSense ICS-40212模拟麦克风是一款微机电系统 (MEMS) 麦克风,具有极高动态范围和低功耗常开模式。该麦克风包含MEMS麦克风元件、阻抗转换器和输出放大器。ICS-40212在电源电压低于2V且工作电流为55μA时,采用低功耗工作模式。 ICS-40212麦克风具有128dB声压级 (SPL) 声学过载点(高性能模式下)、±1dB的严密灵敏度容差以及35Hz至20kHz扩展频率响应。该麦克风采用底部端口表面贴装封装,尺寸为3.5mm x 2.65mm x 0.98mm。典型应用包括智能手机、照相机和摄像机...
发表于 11-09 09:07 124次 阅读
ICS-40212 TDKInvenSenseICS40212模拟麦克风

ICS-40638 TDKInvenSenseICS40638AOP模拟MEMS麦克风

venSense ICS-40638高声学过载点 (AOP) 模拟MEMS麦克风(带差分输出)具有极高的动态范围,工作温度高达105°C。ICS-40638包括一个MEMS麦克风元件、一个阻抗转换器和一个差分输出放大器。该麦克风具有138dB声压级 (SPL) 声学过载点、±1dB小灵敏度容差以及对辐射和传导射频干扰的增强抗扰度。该系列具有35Hz至20kHz扩展频率响应,采用紧凑型3.50mm × 2.65mm × 0.98 mm底部端口表面贴装封装。TDK InvenSense ICS-40638 AOP模拟MEMS麦克风应用包括汽车、相机和摄像机以及物联网 (IoT) 设备。 特性 差分非反向模拟输出 灵敏度:-43dBV(差分) 灵敏度容差:±1dB 35Hz至20kHz扩展频率响应 增强的射频抗扰度 PSRR:−81dB 3.50...
发表于 11-06 09:07 221次 阅读
ICS-40638 TDKInvenSenseICS40638AOP模拟MEMS麦克风

DK-42688-P TDKInvenSenseDK42688P评估板

venSense DK-42688-P评估板是用于ICM-42688-P高性能6轴运动传感器的全面开发平台。该评估板设有用于编程和调试的板载嵌入式调试器和用于主机接口的USB连接器,可支持软件调试和传感器数据记录。DK-42688-P平台设计采用Microchip G55 MCU,可用于快速评估和开发基于ICM-42688-P的解决方案。TDK InvenSense DK-42688-P评估板配有必要的软件,包括基于GUI的开发工具InvenSense Motion Link,以及用于ICM-42688-P的嵌入式运动驱动器。 特性 用于ICM-42688-P 6轴运动传感器 带512KB闪存的Microchip G55 MCU 用于编程和调试的板载嵌入式调试器 用于主机接口的USB连接器 通过USB连接的电路板电源 ...
发表于 11-06 09:07 92次 阅读
DK-42688-P TDKInvenSenseDK42688P评估板

STM32L4P5AGI6 STMicroelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU)

oelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU) 不仅扩展了超低功耗产品组合,还提高了产品性能,采用Arm® 树皮-M4内核(具有DSP和浮点单元 (FPU),频率为120MHz)。STM32L4P5产品组合具有512KB至1MB闪存,采用48-169引脚封装。STM32L4Q5具有1MB闪存,提供额外加密加速器引擎(AES、HASH和PKA)。 特性 超低功率,灵活功率控制 电源:1.71V至3.6V 温度范围:-40°C至85°C或-40°C至125°C 批量采集模式(BAM) VBAT模块中150nA:为RTC和32x32位储备寄存器供电 关断模式下,22nA(5个唤醒引脚ʌ...
发表于 11-06 09:07 87次 阅读
STM32L4P5AGI6 STMicroelectronics STM32L4P5/STM32L4Q5 32位微控制器 (MCU)

ICS-52000 TDKInvenSenseICS52000带TDM数字输出的低噪声麦克风

venSense ICS‐52000是一款低噪声数字TDM输出底部端口麦克风,采用4mm × 3mm × 1mm小尺寸表面贴装封装。  该器件由MEMS传感器、信号调理、模数转换器、抽取和抗混叠滤波器、电源管理以及行业标准的24位TDM接口组成。 借助TDM接口,包括多达16个ICS‐52000麦克风的阵列可直接连接诸如DSP和微控制器等数字处理器,无需在系统中采用音频编解码器。 阵列中的所有麦克风都同步对其声信号进行采样,从而实现精确的阵列处理。 ICS‐52000具有65dBA的高SNR和宽带频率响应。 灵敏度容差为±1dB,可实现无需进行系统校准的高性能麦克风阵列。 ICS-52000具有两种电源状态:正常运行和待机模式。 该麦克风具有软取消静音功能,可防止上电时发出声音。 从ICS-52000开始输出数据时开始,音量将在256WS时钟周期内上升到满量程输出电平。 采样率为48kHz,该取消静音序列大约需要5.3ms。 The ICS‐52000 features a high SNR of 65dBA and a wideband frequency response. The sensitivity tolerance is ±1dB enabling high‐performance micropho...
发表于 11-05 17:07 68次 阅读
ICS-52000 TDKInvenSenseICS52000带TDM数字输出的低噪声麦克风

IAM-20380 TDKInvenSenseIAM20380高性能陀螺仪

venSense IAM-20380高性能陀螺仪具有0.5VDD至4V电压范围、400kHz时钟频率以及-40°C至+85°C工作温度范围。IAM-20380具有3轴集成,因此制造商无需对分立器件进行昂贵且复杂的系统级集成。TDK InvenSense IAM-20380高性能陀螺仪非常适合用于汽车报警器、远程信息处理和保险车辆追踪应用。 特性 数字输出X、Y和Z轴角速率传感器(陀螺仪) 用户可编程满量程范围为±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps 集成16位ADC 用户可编程数字滤波器,用于陀螺仪和温度传感器 按照AEC-Q100执行&...
发表于 11-03 10:07 82次 阅读
IAM-20380 TDKInvenSenseIAM20380高性能陀螺仪

MPF5024AMMA0ES NXP Semiconductors PF502x电源管理集成电路

502x电源管理集成电路 (PMIC) 在一个器件中集成了多个高性能降压稳压器。PF502x PMIC既可用作独立的负载点稳压器IC,也可用作较大PMIC的配套芯片。 NXP PF502x电源管理集成电路 (PMIC) 具有用于关键启动配置的内置一次性可编程 (OTP) 存储器存储。借助该OTP特性,可减少通常用于设置输出电压和稳压器序列的外部元件数量,从而打造时尚器件。启动后,稳压器参数可通过高速I2C进行&#...
发表于 11-02 12:06 102次 阅读
MPF5024AMMA0ES NXP Semiconductors PF502x电源管理集成电路

T3902 TDKInvenSenseT3902低功耗多模麦克风

vensense T3902低功耗多模麦克风具有185µA至650µA电流范围、36Hz至>20kHz额定频率以及3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装。T3902麦克风由一个MEMS麦克风元件和一个阻抗转换器放大器,以及之后的一个四阶调制器组成。T3902系列具有高性能、低功耗、标准和睡眠等工作模式。TDK Invensense T3902低功耗多模麦克风非常适合用于智能手机、相机、平板电脑以及安全和监控应用。 特性 3.5mm × 2.65mm × 0.98mm表面贴装封装 低功耗模式:185µA 扩展频率响应:36Hz至>20kHz 睡眠模式电流:12µA 高电源抑制 (PSR):-97dB FS 四阶∑-Δ调制器 数字脉冲密度调制 (PDM) 输...
发表于 10-30 11:06 94次 阅读
T3902 TDKInvenSenseT3902低功耗多模麦克风

ICS-40740 TDKInvenSenseICS40740超低噪声麦克风

venSense ICS-40740超低噪声麦克风具有超低噪声、高动态范围、差分模拟输出和1个底部端口。TDK InvenSense ICS-40740器件采用MEMS麦克风元件、阻抗转换器、差分输出放大器和增强型射频封装。ICS-40740器件具有70dB SNR和±1dB灵敏度容差,因此非常适合用于麦克风阵列和远场语音控制应用。 特性 70d BA信噪比 -37.5dBV灵敏度 ±1dB灵敏度容差 4mm x 3mm x 1.2mm表面贴装封装 80Hz至20kHz扩展频率响应 165µA电流消耗 132.5dB SPL声学过载点 -87d BV PSR 兼容无锡/铅和无铅焊接工艺 符合RoHS指令/WEEE标准 ...
发表于 10-30 10:06 203次 阅读
ICS-40740 TDKInvenSenseICS40740超低噪声麦克风

IAM-20680 TDKIAM20680 MEMSMotion Tracking器件

venSense IAM-20680 6轴MotionTracking器件在3mm x 3mm x 0.75mm的小尺寸封装中集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计。IAM-50680器件具有片上16位ADC、可编程数字滤波器、嵌入式温度传感器和可编程中断。TDK InvenSense IAM-20680 6轴MotionTracking器件非常适合用于360°视角相机稳定、汽车报警器和远程信息处理应用。 特性 数字输出X、Y和Z轴角速率传感器(陀螺仪) 用户可编程满量程范围为±250dps、±500dps、±1000dps和±2000dps,集成16位ADC 数字输出X、Y和Z轴加速度计,具有±2g、±4g、±8g和±16g的可编程满量程范围,集成16位ADC 用户可编程数字滤波器,用于陀螺仪、加速度计和温度传感器 自检功能 唤醒运动中断,用于应用处理器的低功耗运行 按照AEC-Q100执行的可靠性测试 按要求提供PPAP和认证数据 应用 导航系统航位推算辅助功能 ...
发表于 10-29 13:06 188次 阅读
IAM-20680 TDKIAM20680 MEMSMotion Tracking器件

MAXM17720AMB+ Maxim Integrated MAXM17712/20/24 PMIC

Integrated MAXM17712/20/24电源管理专用IC (PMIC) 是喜马拉雅微型系统级IC (µSLIC) 电源模块,可实现散热更好、尺寸更小、更加简单的电源解决方案。这些IC将高效率150 mA同步降压直流-直流转换器和高PSRR、低噪声、50mA线性稳压器集成到µSLIC™电源模块中。该PMIC在4V至60V宽输入电压范围内工作。该降压转换器和线性稳压器可提供高达150mA和50mA输出电流。 直流-直流转换器的输出用作线性稳压器的输入。这些线性稳压器在不同模块中提供1.2V至3.3V固定输出电压。MAXM17712/20/24模块采用薄型设计,采用2.6mmx3mmx1.5mm µSLIC封装。典型应用包括工业传感器、暖通空调和楼宇控制、电池供电设备以及LDO替代品。 特性 易于使用: 4V至60V宽输入降压转换器 可调节及固定的输出电压模块 内部电感器和补偿 降压转换器输出电流高达150mA 线性稳压器输出的精度为±1.3%,FB精度为±2% 全陶瓷电容器、紧凑布局 ...
发表于 10-29 13:06 66次 阅读
MAXM17720AMB+ Maxim Integrated MAXM17712/20/24 PMIC

MAX40027ATC/VY+ Maxim Integrated MAX40027双路高速比较器

MAX40027双路高速比较器具有280ps典型传播延迟。这些比较器具有极低过驱分散(25ps,典型值),因此非常适合用于飞行时间、距离测量应用。该器件的输入共模范围为1.5V至V+ 0.1V,与MAX40658、MAX40660和MAX40661等多个广泛使用的高速跨阻放大器的输出摆幅兼容。输出级为LVDS(低压差分信号),有助于最大限度地降低功耗,直接与诸多FPGA和CPU连接。互补输出有助于抑制每个输出线上的共模噪声。MAX40027采用小型、节省空间的3mm x 2mm、12引脚TDFN封装,带侧面可湿性侧翼,符合AEC-Q100汽车级认证要求。MAX40027的工作温度范围为-40°C至+125°C,可在2.7V至3.6V电源电压下工作。 特性 快速传播延迟:280ps(典型值) 低过驱色散:25ps(VOD=10mV至1V)  电源电压:2.7V至3.6V 2.7V电源时45.9mw(每个比较器) 节能型LVDS输出 温度范围:-40°C至+125°C 符合汽车类AEC-Q100标准 小型3mm x 2mm TDFN封装,带可湿性侧翼 ...
发表于 10-29 13:06 57次 阅读
MAX40027ATC/VY+ Maxim Integrated MAX40027双路高速比较器

LPC55S66JBD64K NXP Semiconductors LPC55S6x Arm® Cortex®-M33微控制器

miconductors LPC55S6x Arm Cortex-M33微控制器 (MCU) 采用Arm双核和Arm TrustZone 技术,适用于工业、楼宇自动化、物联网 (IoT) 边缘计算、诊断设备和消费电子应用。这些器件基于Armv8-M架构,采用低功耗40nm嵌入式闪存工艺,具有先进的安全特性。 LPC55S6x微控制器具有一套独特的安全模块,可为嵌入式系统提供层保护,同时保护最终产品在整个生命周期内免受未知或意外的威胁。这些块包括基于可信根和配置的SRAM PUF、来自加密图像的实时执行&...
发表于 10-29 13:06 84次 阅读
LPC55S66JBD64K NXP Semiconductors LPC55S6x Arm® Cortex®-M33微控制器