简单的Voltus功耗分析

数字电路到了一定规模，把数字电路网表转成原理图，通过跑Spectre/Ultramsim仿真来获得功耗就变得mission impossible了。新的运算工具应运而生。Voltus的前生是EPS (Encounter Power System)，是一款非常优秀的功耗分析工具。

数字电路功耗包括下面三个部分。

1. Switching power

这部分功耗来自各个标准元之间的连线interconnect的充放电。描述这部分功耗的经典公式是。这里F代表频率，A代表average switching activity。

从这个经典公式可以衍生出有趣的问题？如何降低switching power呢？通常CL在前端设计中无法控制。电路的F是设计指标决定的，也改不了。前端设计能改变的只有A。这时前端设计中引入clock gating就很有必要了。当然，有些使用场景可以降低V，但实现起来有些困难的，需要供电电路能配合，需要库在不同电压下characterize。总体来说，降低A是前端设计最直接最有效的降低switching power的方法。

2. Internal power

这部分是标准元内部由switching造成的功耗。工具根据.lib里的数据计算这部分功耗。下面是一个AND gate的例子。

输入A变化引起的功耗。工具根据输入A的transition time查询rise_power, fall_power表。这个例子简化了一些。通常这两个表中的数据多几个，工具插值计算更精确一些。

输出Y的变化可以是输入A变化引起的，也可以是输入B变化引起的。Y的internal power相对复杂一些。这里rise_power，fall_power的表是二维的。工具根据相关输入的input_transition_time，Y输出的total_output_capacitance来查询这几个表。

标准元的internal power本质上依然是电路中各个节点的switching引起的。设计中尽量降低各个节点的switching可以有效地降低相联标准元地internal power。

3. Leakage power

这部分就是常说的漏电。即使电路处于静止状态，没有时钟，没有任何switching，这部分功耗依然存在。在低功耗待机状态下，如何降低漏电功耗是设计挑战。

工具计算漏电功耗也是根据.lib中的数据。下面是一个AND gate例子。这里可以看到leakage power是和A，B输入的状态有关的。A，B同时为高电平时leakage power最大，43.7371。如果A，B电平无法确定，工具取平均值，即第二个框里的33.4556。

Voltus虽然有几个工作模式，但各个模式下功耗的算法依然遵循上面分的三类。各个模式的区别只是设置而已。

Voltus static power

Voltus static power本质上算的是电路的平均功耗。

Voltus static power要求用户提供各个输入的activity。工具根据用户提供的activity，加上SDC文件内时钟的定义，就可以推算出内部各个节点的activity，再配合SPEF文件内各个连线的RC，就可以算出这个电路的switching power。同时，工具也知道内部每个标准元的输入输出特性，各个标准元的internal power也就可以算出来了。

Voltus static power理论上可以算得蛮准的，但实际操作上是有陷阱的。如果用户提供的activity不准，计算的结果就偏离了。很多时候，默认的activity 0.1可能过于悲观，造成static power也过于悲观。

Voltus dynamic power

Voltus dynamic power本质上是计算瞬时峰值功耗，分两种方法，vectorless或vector-driven。Vectorless估算每个节点的activity，意义不大，这里就略过了。Vector-driven采用VCD标注内部各个节点的activity。VCD来自于后仿。VCD中每个节点的activity和实际电路时一一对应的。显然，使用VCD的dynamic power可以算得很准。通常VCD文件可以记录整个电路完整的运行过程。但对于峰值功耗，通常只需要取VCD中的一小段时间。这里需要注意的是，指定的这一小段时间必须对应的是activity最集中的时间段。如果自己是电路的设计者，应该知道哪一段时间activity最多。另一个方法是先取比较长的一段时间跑一次dynamic power，在Voltus里调用Simvision打印出VDD电流，根据VDD电流波形选择峰值时间段。随后在这个缩短的时间段再跑一下dynamic power，生成power database，供后续的IR drop分析使用。

这里引申出一个有趣的问题。Voltus dynamic power能否像S家的PTPX一样用来算电路的功耗呢？当然是可以的。功耗基本的算法就是那三类，本质上是一样的。Voltus dynamic power里VCD时间段取得和PTPX功耗分析VCD时间段一样，两者计算出来的结果在2-3%以内。个人认为Voltus dynamic power设置对了，Voltus static power就没必要了，PTPX也可以替代了。这样做有个小小的缺陷。通常算average power需要取比较长的时间段。这样跑Voltus dynamic power生成的power database非常庞大。后续的Voltus IR如果还用这个庞大的power database，基本就跑不动了。解决方法也很简单。就像上面提到的，取缩短的时间段再跑一次dynamic power，生成对应峰值电流的power database，随后用这个小很多的power database跑IR。

审核编辑：黄飞