数字前端生存指南—PPA

数字前端设计人员的目标是使用最小的PA达成要求的PF

时间也是一种消耗（PA）

1.PPA到PA和PF

PPA是数字IC设计逃不开的概念，分别是P（Performance）、P（Power）和A（Area），分别代表芯片的性能、功耗和面积。从产品的角度看来，就是用户基于这块芯片能获得什么（Performance），购买成本是多少（Area），使用成本是多少（Power）。我更倾向于将其拆分为两类，即PF和PA，分别代表功能和消耗：

*PF：即性能（Performance）和功能（Function），这里将原始的Performance拆分为两个部分。功能（Function）是定性的，即这块芯片支持什么功能，性能（Performance）是定量的，表示这块芯片这个功能支持的怎么样，这两个指标用来衡量芯片的能力。

*PA：即功耗（Power）和面积（Area），这里使用的就是原始的P和A概念，这两个指标用来衡量芯片的消耗。

我们简单的来看一下一块虚构CPU的简介，如下表所示：

其中，型号、工艺属于基本信息，而内核数、线程数、频率属于Performance信息，即定量的用于描述性能的信息，以频率为例，在同架构下和核心、线程数下，一般频率高的性能高，最高频率2.2GHz的性能一般高于1.1GHz，但是不影响支持相同的功能，可能仅是运行时间更长。而支持指令集、高速接口、视频接口属于Function信息，以指令集为例，这里就不支持RV32E的指令，RV32E指令在这里无法正常运行。而封装大小属于Area、典型功耗属于Power，这些描述了芯片的消耗，一般来说和售价、散热成本、使用成本挂钩。

2.PA和PF的取舍

对于PA和PF，不同类型的芯片有不同的取舍，如下图所示：

真正的高性能低功耗芯片是不存在的，性能的提升必定伴随消耗的增加，在前摩尔时代，这些消耗可能被工艺的迭代抵消，但后摩尔时代随着工艺迭代放缓，PA和PF的关系越来越成正相关，甚至线性。因此要求芯片规划人员给出更为精确的需求，确定芯片的使用场景，把功耗花在最需要的功能上。

低PA-低PF的常见场景为嵌入式设备，以乐鑫ESP32-C3为例，该芯片定义为“极低功耗SoC”，提供WIFI和蓝牙解决方案，在Active状态的功耗约为1W，有单核RSIC-V核心，频率160MHz，WIFI支持2.4G。而高PA-高PF的典型场景为云端设备，以英特尔至强W-3365为例，其TDP达到了270W，封装面积为77.5mmx56.5mm，建议售价来到3851美元，而换来的是32核64线程，可支持4TB内存、64条PCIe通道的性能。

3.设计人员眼中的PPA（PAPF）

对于数字前端设计人员，一般会固定PA或PF中的一个进行设计：

*固定PA：给定消耗（例如硅片面积）要求达到最高的性能（例如算力），这种设计模式一般出现在国内科研性质的项目中，尤其常见于MPW模式下的科研性质芯片。在这种模式下每个芯片分到的硅片面积是固定的，一般芯片设计的主导者（一般为教授或研究员）会要求设计人员（一般是学生）在固定的面积下创新架构或微架构，以达到更高的性能。

*固定PF：给定性能（例如支持能力）要求达到最少的消耗（例如功耗），这种设计模式是常规的商业化项目使用的模式。芯片规划者和设计者处于不同的角色，芯片规划者基于当前的市场等多种因素规划芯片的应用场景，再反推出芯片的规格，给设计人员提供需要支持的功能、性能限制和消耗限制。设计人员需要基于芯片需求进行设计，以最小的代价达成需求规划人员给出的各项需求

固定PF的方式我认为是更加合理的方案，所以对于设计人员而言，核心竞争力是使用更少的PA实现规定的PF；对于超出需求的PF，则不是硬需求，超出的PF一般也会带来额外的PA，是否应用也需要由芯片规划人员进行决策。

4.PA的组成和时间消耗

一个芯片的PA由以下几个部分组成：

1.由需求规定的PF引入的PA：这部分是固定需要引入的，优秀的架构、微架构设计和实现方法可以降低固定PF下的PA消耗

2.由于更高PF引入的PA：这部分是否引入需要芯片规划人员进行决策，更高的PF带来的竞争优势可能被PA的增加冲抵

3.物理性PA消耗：由时钟树、复位树、供电部分引入的PA消耗

4.质量性PA消耗：用于提高设计质量的PA，例如DFT、MBIST等标准化测试电路，自定义测试接口，Debug信号，保护电路等用于提升质量带来的PA消耗

5.时间性PA消耗：由于使用IP、代码复用引入的PA消耗，后文会详细描述

6.物理设计PA消耗：由后端人员引入的PA消耗，一般为前端不可见内容，例如由于绕线资源不足产生的额外面积等

对于前端设计人员来说，主要的工作是权衡1、2、4、5四个点。需要注意的是设计时间在广义上也是一种成本，随着摩尔定律放缓，一代架构一代工艺的升级道路已经越来越艰难，对设计的迭代速度也提升了要求，现在流行的先进封装、chiplet、IP、硬件敏捷开发都从不同的角度提升了设计的迭代速度。

以IP为例，对于类似的功能，使用IP和定制代码实现相同的PF，IP消耗的PA一定大于等于定制代码，但是对于一个IP能覆盖的多个类似的功能，如果都使用定制代码开发，会引入额外的时间消耗（包括设计实现消耗和验证时间消耗），因此很多情况下会使用IP以一定的PA为代价，降低硬件的开发时间。