门级电路低功耗设计优化案例分析

（1）门级电路的功耗优化综述

门级电路的功耗优化(Gate Level Power Optimization，简称GLPO)是从已经映射的门级网表开始，对设计进行功耗的优化以满足功耗的约束，同时设计保持其性能，即满足设计规则和时序的要求。功耗优化前的设计是已经映射到工艺库的电路，如下图所示：

门级电路的功耗优化包括了设计总功耗，动态功耗以及漏电功耗的优化。对设计做优化时，优化的优先次序如下：

由此我们可以找到， 优化时，所产生的电路首先要满足设计规则的要求，然后满足延迟(时序)约束的要求，在满足时序性能要求的基础上，进行总功耗的优化，再进行动态功耗的优化和漏电功耗的优化，最后对面积进行优化。

优化时先满足更高级优先权的约束。进行低级优先权约束的优化不能以牺牲更高优先权的约束为代价。功耗的优化不能降低设计的时序。为了有效地进行功耗优化，需要设计中有正的时间冗余(timing slacks)。功耗的减少以时序路径的正时间冗余作为交换，即功耗优化时会减少时序路径上的正的时间冗余。因此，设计中正的时间冗余越多，就越有潜力降低功耗。

通过上面的描述，对门级功耗优化有了一下了解之后，这里先介绍一下静态功耗优化的方法——多阈值电压设计，然后介绍基于EDA工具的动态功耗的优化，接着介绍总体功耗的优化；在最后介绍一种常用的门级低功耗的方法——电源门控。电源门控我放在明天发表，今天的内容主要就是围绕静态、动态、总功耗来写。

（2）多阈值电压设计

①多阈值电压设计原理

由于半导体工艺越来越先进，半导体器件的几何尺寸越来越小，器件中的晶体管(门)数越来越多，器件的供电电压越来越低，单元门的阈值电压越来越低。由于单位面积中的单元门越来越多，功耗密度高，器件的功耗大。因此，设计时，我们要对功耗进行优化和管理。在90nm或以下的工艺，静态功耗要占整个设计功耗的20%以上。因此，使用超深亚微米工艺时，除了要降低动态功耗，还要降低静态功耗。在超深亚微米工艺，单元门的阈值电压和漏电功耗（静态功耗）有如下图所示的关系：

由图可见，阈值电压Vt以指数关系影响着漏电功耗。阈值电压Vt与漏电功耗和单元门延迟有如下关系:

阈值电压Vt越高的单元，它的漏电功耗越低，但门延迟越长，也就是速度慢；

阈值电压Vt越低的单元，它的漏电功耗越高，但门延迟越短，也就是速度快。

我们可以利用多阈值电压工艺库的这种特点，进行漏电功耗的优化，设计静态功耗低性能高的电路。

一般的设计中，一个时序路径组((timing path group)有多条时序路径，延迟最大的路径称为关键路径。根据多阈值电压单元的特点，为了满足时序的要求，关键路径中使用低阈值电压的单元(low Vt cells)，以减少单元门的延迟，改善路径的时序。而为了减少静态功耗，在非关键路径中使用高阈值电压的单元(high Vt cells)，以降低静态功耗。因此，使用多阈值电压的工艺库，我们可以设计出低静态功耗和高性能的设计。上面的描述如下图所示：

②门级网表/RTL代码的多阈值电压设计

多阈值电压设计可以在门级网表或者RTL代码的时候就进行，也可以在后面布线后进行。门级网表/RTL代码的多阈值电压设计（或者说是静态功耗优化）流程如下所示：

一个对应的示例脚本如下所示：

set target_library "hvt.db svt.db lvt.db"

······

read_verilog mydesign.v

current_design top

source myconstraint.tcl

······

set_max_leakage -power 0mw

compile

······

与以前的脚本不同，设置target_library时，我们用了多个库。上列中，目标库设置为 "hvt.db svt.db lvt.db"脚本中使用set_max_leakage_power命令为电路设置静态功耗的约束。在运行compile命令时，Power Compiler将根据时序和静态功耗的约束，在目标库选择合适的单元，在满足时序约束的前提下，尽量使用Svt或Hvt单元，使优化出的设计性能高，静态功耗低。

PS：如果在Physical Compiler工具（现在我们使用DC的拓扑模式）里做漏电功耗优化时，我们可以保留一点正的时间冗余(positive slack)，使电路不会在极限的时序下工作.这些时间冗余量也可被后面其他的优化算法所使用。设置时间冗余的命令如下:

set physopt_power_critical_range 时间量

③布线后的多阈值电压设计

上面是门级网表/RTL代码的多阈值电压设计，下面简单介绍布线后的多阈值电压设计，流程如下图所示：

相应的一个示例脚本如下所示：

set target_library "hvt.db svt.db lvt.db"

read_verilog routed_design.v

current_design top

source top.sdc

······

set_max_leakage -power 0mw

physopt-preserve_footprint -only_power_recovery -post_route-incremental

physopt命令中使用了“-poat_route”的选项，特别用于进行布线后的漏电功耗的优化。优化时，单元的外形名称(footprint)保留下来，原有的布线保持不变。

④多阈值电压设计与多阈值库的报告

进行漏电功耗的优化时，Power Compile将报告如下的漏电优化的信息:

LEAKAGE POWER的列(Column)展出了内部优化的漏电成本值。它和报告出来的漏电功耗可能不一样。我们用“report_power”命令得到功耗的准确的报告。

我们现在来看一下多阈值库。多阈值库定义了两个属性，一个为库属性：default_threshold_voltage_group，另一个为单独库单元的属性：threshold_voltage_group。然后报告多阈值电压组的命令是：report_threshold_voltage_group.我们可以使用多阈值库的这两个属性，报告出设计中使用多域值库单元的比例，一个示例的脚本如下所示：

set_attr -type stringlvt.db:slowdefault_threshold_voltage_group LVt

set_attr -type string svt.db:slow default_threshold_voltage_group SVt

set_attr -type string hvt.db:slowdefault_threshold_voltage-group HVt

report_threshold_voltage_group

报告得到的结果如下所示：

（3）基于EDA工具的动态功耗优化

前面介绍了静态功耗的优化，下面介绍动态功耗的优化。动态功耗优化通常在做完时序优化后进行。动态功耗优化时，需要提供电路的开关行为，工具根据每个节点的翻转率，来优化整个电路的动态功耗。用compile/physopt命令可以同时对时序和功耗做优化。设置动态功耗的命令为：

set_max_dynamic_power xxmw.（一般设置为0）

动态功耗优化的流程如下所示：

一个对应的示例脚本如下所示：

read_verilog top.v

source constraints.tcl

set target_library "tech.db"

compile

read_saif

set_ max_dynamic_power 0 mw

compile -inc

动态功耗的优化的实现如上面所示。优化过程用了很多技术比如插入缓冲器、相位分配之类的。由于这些都是power compiler在背后自动实现（或者说是进行低功耗优化时工具使用的原理），不需要我们进行设置，因此这里不进行介绍。

（4）总体功耗优化

前面分别介绍了静态功耗和动态功耗的优化方法。我们可以把它们结合在一起，进行整个设计总功耗的优化。总功耗是动态功耗和静态功耗的和，总功耗的优先级比动态功耗和静态功耗高。总功耗优化时，工具尽量减少动态功耗和静态功耗的和。优化时如果减少了漏电功耗增加了动态功耗，但它们的和减少了，优化是有效的。反之亦然。我们可以通过设置开关，使动态功耗优化和静态功耗优化用不同的努力级别(effort levels)和权重(weights)进行优化。

总功耗的优化流程如下图所示：

一个对应的示例脚本如下所示：

read_verilog top.v

source constraints.tcl

set target_library "hvt.db svt.db lvt.db"

······

compile

read_saif

set_max_total_power 0 mw -leakage_weight 30

compile -inc

······

脚本中，target_library设置为多阈值电压的库，用于做静态功耗的优化。读入含有开关行为的saif文件，用于约束动态功耗的优化。在设置总功耗的约束时，我们可以在set_max_total_power命令中使用静态或/和动态功耗权重(weight)的选项，使工具在优化时，偏重于静态或动态功耗。假设P、Pd和Pl分别为总功耗、动态功耗和静态功耗，Wd和Wl分别为动态功耗和静态功耗的权重，则

总功耗P = (Wd*Pd+Wl*P1)/Wd

我们可以在DC或PC中设定只对功耗做优化。这时候，工具仅优化设计的功耗，而不会对更高优先级的约束做任何的优化和修正设计规则DRC违例。但是这种优化也不会使设计的更高优先级约束的性能变差和引起DRC违例。这种优化的优点在于运行时间较短，可用于优化设计的动态功耗、静态功耗和总功耗。在DC和PC中，只能以增量编辑的形式工作。

PC中只对功耗做优化的命令如下:

set_max_total -power 0 mw

physopt -only_power_recovery

DC中只对功耗做优化的命令如下（由于现在PC在DC中，因此下面的脚本更常用）:

set compile_power_opto_only true

set_max_leakage_power 0 mw

compile -inc