芯片设计完成，如何确认功能达到100％

即便如今的验证任务量大得似乎有些可怕，但是其中绝大部分都是必需的，以确保芯片在较大的系统中能正常运行。今天只展开讨论功耗验证，让我们看看它所面对的混杂问题和挑战吧。有一个好消息是，我们并不缺少帮助解决这些任务的工具和方法。而坏消息是，即使是最好的工具也不会让挑战消失。低功耗验证，历经多年零碎的解决方案后，已经趋于成熟。这意味着采用的工具和流程是稳定可用的，并且随着功耗验证重要性的提升以及功能验证对其的应用，它们逐渐被采纳。

Mentor Graphics仿真部门的产品营销经理VijayChobisa表示：“如果你设计了芯片并具有一些功能，但功能可能不能达到100％，你如今有一些选择来解决这个问题。比如软件，你可以在软件中隐藏该硬件错误，以便你的芯片可以适用于某特定的应用程序。或者芯片可能无法按照既定高速频率运行，也许速度放慢，功能仍然有可能正常。然而，有了功耗，我们假设你设计的芯片具有一定的功耗，而你的芯片在特定的设备（无论是平板电脑还是智能手机）上都占用了两倍或三倍的平均功耗，你就不能使用该芯片了，因为它不是为该设备的功耗设计的，它不适合该应用程序。我的理解是，在未来功耗验证将比功能验证更重要。”

Ansys-Apache的RTL电力业务高级副总裁兼总经理VicKulkarni认同并指出，这就是为什么功耗验证技术相继出现在多域岛（multi-domain islands），DVFS技术，或是像在电视领域依靠对像素进行功耗控制的技术。“对于芯片，封装收敛成为一个问题，不幸的是，它产生的热量是再生效应，会导致更多的动态电压问题。”

由于有了功耗验证，我们很少会错过市场窗口。功耗在上市时间方面是一个相对较新的点，因为过去功耗经常是在后续的芯片迭代中处理。如今这不可能了。

Chobisa说：“对于功能问题，您可能有一个软件来修复。但对于功耗，你并没有软件来修复。你必须回到计划阶段，也许会因此错过整个市场窗口。这就是主要问题所在。”

对于高级设计，特别是在移动市场中，从过去的几个节点来看，功耗已经成为一个急切需要考虑的问题。

Synopsys低功耗验证研发部门总监SrikanthJadcherla表示：“我还没有看到有人长时间不去做低功耗设计或功耗验证的工作。几乎所有的芯片目前都在运用低功耗验证方法，除了由外部管理功耗的小型ASIC。他们仍然需要对外部功耗事件做出反应，但是他们本身可能太小了而不能很好地自己管理功耗，这种情况也逐渐在减少。通用SoC则是另外一回事儿，它必须进行功耗验证。”

早在20世纪90年代中期，设计师就专注于经典的低功耗设计，大概有像乘法器和各种长度的指令解码器这样的功能。 Jadcherla说：“一个功能需要X瓦功耗，你想要减少到一半的功耗。这基本上就是所谓的电容下降了。”再谈谈自动时钟门控技术，这帮助很多工具的电容大幅降低。Jadcherla指出“我们也从结构转移到时间限制或时间依赖的功耗降低上。”

二十一世纪初，情况发生了转变。Jadcherla创立的ArchPro等公司曾经访问了一些工程团队，并建议他们验证自己的低功耗芯片，包括硬件和软件。“事实上，当时很少有人相信我们。后来我们一直在提及它。我在2008年写了一本关于如何构建低功耗验证，如何量化覆盖率的书。在2015年，我们看到功耗管理验证的处理已经相当成熟了。再次强调，你必须把低功耗从功耗管理中分离来看。如今，功耗管理主要涉及需要验证的复杂的软硬件交互。大多数SoC遵循两个或三个原则。首先，最重要的是，在硬件/软件/电压的所有交互中实现的任何低功耗特性，都必须被证明在系统级别是有益的。相信我，这比听起来要难得多，因为低功耗设计容易产生事与愿违的结果。其次，布尔代数是不同的。你在学校学到的，与实际上发生的常常相对。我们尽管花了大约10年的时间，才形成了UPF标准和成熟的设计方法，但我们也一直在取得进展。”

Cadence的产品验证管理总监AdamSherer指出，验证的挑战之一，是在设计的不同操作条件下测量动态功耗。“我们一直倡导以度量为导向的验证，从功耗角度来生成验证计划。例如，我们的一个客户，进行着功耗测量，在运行所有的回归，针对给定的SoC进行了7000多次仿真。它不是一个单独的测试或一组特定的测试，而是客户希望在所有功能验证中始终测量功耗。”

他补充说，功耗日渐成为功能验证中不可或缺的要素，不能是事后才有的想法。“它必须是集成的，是你的功能验证程序的一部分。我上面给出的例子，他们的整个回归测试都包括了功能验证和功耗验证，因为他们的设计依赖于功耗。如果你有一个依赖功耗的设计，那么你必须进行功耗验证，而不是当作一个事后的考虑或只占有5％的测试，尤其是当你在使用一个UVM随机化的环境。当你有机会触发功耗的状态跳转，例如上电或者掉电，你最好在低功耗验证的条件下进行，否则你无法模拟设计的实际运行，这是至关重要的地方。这意味着它同样属于正常的功能验证流程，并保证低功耗验证计划。你必须能够对其进行规划，以涵盖设计中适当的状态更改，你也需要确保它是完整的。我们有客户，将功耗验证流程从RTL仿真一致贯穿到后端仿真（包括pad功耗信息），即使在纯数字芯片中，我们仍然需要模拟电源信号参与到管脚选通，这也需要功耗验证的考虑”

虽然这些问题看似已经很好理解，但这并不意味着在顶级半导体公司以外的每个设计团队都会使用低功耗功能验证。

Cadence低功耗产品营销总监KrishnaBalachandran说:“很多验证团队只在一些大型公司中可以建立起来。如果你谈到方法论，即使是中国的一些新兴小公司，或是亚洲很多地区，他们都不遵循验证方法。他们做基本的功能验证，总是会忘记功耗。所以他们并不会做一个彻底的工作，试图弄清楚如何用功耗来验证它，即使他们在实施方面采取了功耗驱动的设计实现流程。在采用低功耗设计方面，可行性考虑在前。为了能够实施，他们必须满足功耗。如今，某些情况下，一些小公司的验证是由设计师而不是验证工程师完成的，所以他们没有方法论。但是他们意识到如果他们不这样做，他们会有一些错误，那些错误可以直接对设计造成恶劣影响。因此，即使是较小的公司，也开始考虑采用包含功耗的验证方法。”

Balachandran指出，在更高层次上，考虑到芯片验证在设计的功能和功耗方面已经变得非常复杂，一些与功耗相关的错误真的很难找到，这使得事情更具挑战性。他接着说到：“这些与功耗相关的设计缺陷往往是一些边界情况，即使验证工程师在验证时已经有意考虑到功耗验证的问题，这些缺陷还是很难捕捉到，这是一个很难解决的难题。许多很聪明的公司都表示，我们不能只用一把“锤子”来干活。那个锤子往往是仿真手段。现在他们正在尝试用更多的“锤子”，譬如形式验证。这也是为什么一些低功耗的形式化技术变得非常重要了。形式化工具会扫描状态机的功耗和设计，理解这些信号之间的相互作用，然后去自动生成断言，并尝试形式验证。事实证明，信号与功耗状态是相互对应的，设计也会处在对应的特定状态。否则，根据设计描述和功耗要求，你的设计实现就是有缺陷的。这样的事情越来越多，聪明的公司正在应用这种工具。”

他表示，有趣的是，在过去的两三年里，至少在较大的公司，模拟技术（emulation）越来越多地用于功耗验证。“你还有一个可怕的工具——软件，通过软件可以控制一些功耗。所以，为了赶得上工期和项目要求，已经无法单独依靠仿真来完成功耗验证了。”

---