Power相关概念和计算

在芯片设计中我们十分关注Timing，因为Timing直接影响一款芯片时钟频率和性能。同样的，Power也是衡量一款芯片的重要指标，它对很多方面都有影响，例如芯片的散热、封装成本、移动设备的使用时间等。因此我们常常需要对芯片的Power有一个估算，便于我们更好的评估Power的影响。在后端流程我们要思考：

• 芯片正常工作的平均功耗是多少
• 在芯片正常工作时，需要多大的电流，如何设计供电来确保供电稳定
• 在对芯片进行功耗优化时，如何比较各种策略的优化效果

在功耗分析中我们主要关注功耗的三个基本概念：Static Power、Average Power、Dynamic Power。

一、Static Power

静态功耗又叫泄漏功耗（Leakage Power），它是指电路在等待或者没有翻转情况下的功耗。Static Power与CMOS的各种泄漏电流有关，主要包括：反偏二极管的泄漏电流，门栅感应漏极泄漏电流、亚阈值泄漏电流、门栅泄漏电流（下图对应文档）。静态功耗的概念非常重要，某种意义上它与MOS管本身的结构有关，受温度等外界温度的影响。它与频率无关，所以不能通过降频的方式降低静态功耗，同时Static Power与温度成指数关系，在温度较高时，Static Power会变得非常大。Leakage Power可以从lib/db中得到，跟input pin的状态有关。

二、Dynamic Power

动态功耗主要包括动态开关电流引起的Switching Power和MOS管内部的Internal Power。

        我们先看Switching Power，开关功耗是指在逻辑门开关时所引起的功耗，在CMOS逻辑门输出节点产生逻辑转换时，电源对输出节点电容充放电所产生的功耗。电源在一个充放电的周期中提供的能量一半都将以热的形式被消耗，由此可见动态功耗的主要是逻辑门的输出电容引起的。开关功耗的计算公式如下：

Psw = 0.5 * Cload * Vdd2 * Tr

Internal Power主要包括内部短路电流对应的损耗（Short circuit）和内部节点充放电产生的功耗。我们需要注意的是：Internal Power不等于Short-circuit Power，在Synopsys的文档中这样介绍介绍：

A: Internal power is any power dissipated within the boundary of a cell. During switching, a circuit dissipates internal power by charging or discharging any existing capacitances internal to the cell. Internal power includes power dissipated by a momentary short circuit between the P and N transistors of a gate, called short-circuit power.

Pint = Energy * Tr（其中Energy的值被标记在lib的查找表中，与transition和outputload有关）

在lib/db中，Internal Power的值被标注在input pin（pin power）和 output pin (arc power)上。

三、Average Power

平均功耗是我们最常用到的功耗描述，在后端的很多场景下用的都是平均功耗，包括Static IR分析等。平均功耗下面我们先明确几个相关概念：

Tr(Toggle Rate)：描述的是单位时间内时钟翻转的次数，例如在40ns内时钟翻转4次，那Tr = 4/40 =0.1；Sp（Static Probability）主要是描述时钟处于高电平的概率，用来计算Leakage Power = Σ（Pleakage_0*(1-Sp)  + Pleakage_1*Sp）。

Paverage    =    Pleakage    +    Psw    +    Pinternal

Power的计算是一个非常复杂的计算过程，下面我们简单介绍一下Power的计算，通过上面的内容我们可以知道Psw和Pinternal都和反转率有关系，为了更加精确的得到功耗情况，可以由前端设计人员仿真得到VCD文件，进而加入Power计算的流程，这样可以得到更加准确的平均功耗和峰值功耗(Peak Power)。

对于没有VCD的流程，我们称为无向量分析法--工具会根据默认值和时钟计算得到一个反转率，我们也可以人为标记反转率，优先级会高于默认值。简单来说工具在计算Tr时会优先从VCD和SAIF文件中获取波形，其次去查找set_switching_activity中的设置。如果没有再去查找默认值等，在PTPX的文档中有更为详细的介绍，感兴趣的可以去翻阅。

目前业内主流的功耗分析工具是PTPX，对具体细节感兴趣的可以去查看Synopsys的官方文档，在下一篇文章中我们将介绍Average Power在IR分析中的应用。

本文引用参考文献和资料

1. 《数字集成电路物理设计》陈春章
   

2. 《PrimePower Workshop》

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