雖然減少工藝節(jié)點(diǎn)在電路密度和提高計(jì)算能力方面帶來了巨大的好處，但也有一個相關(guān)的缺點(diǎn)——增加設(shè)計(jì)可變性。這種可變性源于對裕量的需求，即工程師為提高設(shè)計(jì)穩(wěn)健性和降低流片風(fēng)險(xiǎn)而引入的規(guī)范保護(hù)帶。規(guī)格設(shè)置得越嚴(yán)格，失敗的風(fēng)險(xiǎn)就越大，從而影響最終成本。設(shè)計(jì)人員需要新的工具來有效且高效地最大限度地減少他們指定的過多設(shè)計(jì)裕量，從而降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。

這篇由兩部分組成的文章的第一部分將探討設(shè)計(jì)人員在開發(fā)針對節(jié)能設(shè)計(jì)的 SoC 時(shí)面臨的問題，以及 Synopsys 的 PrimeShield? 技術(shù)如何幫助優(yōu)化低功耗設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)積極的上市時(shí)間目標(biāo)。

現(xiàn)實(shí)

長期以來，半導(dǎo)體一直根據(jù)最壞情況的工藝、電壓和溫度（PVT）進(jìn)行指定。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員必須平衡性能與功耗和面積（PPA），努力實(shí)現(xiàn)所需的每瓦性能目標(biāo)。為了評估可變性對電路性能的影響，設(shè)計(jì)人員采用靜態(tài)時(shí)序分析（STA）來評估每個時(shí)序路徑。由于影響PPA的因素很多，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常執(zhí)行SPICE仿真以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

然而，隨著工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步和電路密度的增加，上市時(shí)間的壓力也越來越大。結(jié)果是，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以執(zhí)行預(yù)簽核的魯棒性分析量有限，導(dǎo)致過度悲觀（增加設(shè)計(jì)裕量以確保達(dá)到性能和功耗目標(biāo)）。在設(shè)計(jì)和制造中，不言而喻的是，越早發(fā)現(xiàn)錯誤或進(jìn)行優(yōu)化，影響就越低——魯棒性改進(jìn)也不例外。

這種過度設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是魯棒性降低，直接影響最終產(chǎn)品PPA、上市時(shí)間和材料成本——所有這些因素都可能使半導(dǎo)體供應(yīng)商在市場上失去競爭力。需要一種強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)魯棒性分析工具，該工具可以在設(shè)計(jì)周期的早期應(yīng)用，并幫助提高設(shè)計(jì)對變化的抗擾度。

進(jìn)入總理盾

蒙特卡洛類固醇

雖然蒙特卡洛SPICE仿真一直是電路分析的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但它無法適應(yīng)當(dāng)今的電路密度。就其本質(zhì)而言，蒙特卡羅模擬必須重復(fù)相同的分析數(shù)千次甚至數(shù)百萬次才能獲得高西格瑪精度，因此僅適用于數(shù)十個細(xì)胞。

PrimeShield 利用 Synopsys 的 PrimeTime? 黃金簽核引擎，在幾秒鐘內(nèi)執(zhí)行 SPICE 精確的時(shí)序計(jì)算和變化建模。為了實(shí)現(xiàn)所需的吞吐量，PrimeShield利用蒙特卡洛分析的重復(fù)性，并使用獲得專利的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來大大提高分析性能。結(jié)果是分析通量提高了 100 到 10，000 倍，在幾分鐘內(nèi)對具有數(shù)十億個細(xì)胞的大規(guī)模 SoC 中的關(guān)鍵時(shí)序路徑執(zhí)行統(tǒng)計(jì)仿真，而不是傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)仿真所需的數(shù)天或數(shù)周。

用于低功耗設(shè)計(jì)的PrimeShield

PrimeTime引入了先進(jìn)的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，使設(shè)計(jì)人員能夠在廣泛的范圍內(nèi)對任何電壓電平進(jìn)行準(zhǔn)確分析。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有一種方法可以掃描電壓范圍，在不同的電壓電平下試運(yùn)行相同的設(shè)計(jì)，并最終找到所需的PPA或每瓦性能目標(biāo)的電壓最佳點(diǎn)。雖然 PrimeTime 解決方案已被證明既準(zhǔn)確又有效，但掃描過程既耗時(shí)又耗費(fèi)資源。

PrimeShield擴(kuò)展了PrimeTime核心技術(shù)，并引入了一種新的PPA簽核分析類型，稱為電壓松弛，它表示設(shè)計(jì)滿足性能要求的每個單元或每個路徑的最低電壓。這種簽核分析使設(shè)計(jì)人員能夠有效地查明電壓瓶頸，以提高IR壓降魯棒性，提高電壓裕量均勻性，并發(fā)現(xiàn)直接微調(diào)工作電壓的機(jī)會。可變電壓現(xiàn)在可用作 PPA 優(yōu)化指標(biāo)。

電壓松弛的大小決定了路徑對電壓變化的敏感性。具有小電壓松弛的路徑被認(rèn)為是工作電壓關(guān)鍵型的。PrimeShield優(yōu)先考慮具有較小電壓緩沖的固定路徑，以提高設(shè)計(jì)對IR壓降的彈性。它還通過降低工作電壓或通過提高工作電壓來提升頻率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。此外，PrimeShield支持基于電壓松弛的優(yōu)化，并且已被發(fā)現(xiàn)對混合V非常有益。T設(shè)計(jì)。

動態(tài)或開關(guān)電源已成為功耗優(yōu)化的重中之重，尤其是對于高級節(jié)點(diǎn) HPC 應(yīng)用。雖然降低工作電壓可以直接降低動態(tài)功耗，但工作電壓長期以來一直是設(shè)計(jì)流程中的靜態(tài)指標(biāo)。高級節(jié)點(diǎn)上更高的電池和功率密度也使得降低電壓供應(yīng)水平成為一項(xiàng)極其困難的任務(wù)。盡管如此，較低的電壓水平對于實(shí)現(xiàn)有競爭力的每瓦性能目標(biāo)至關(guān)重要。因此，一個新的購電協(xié)議權(quán)力機(jī)會出現(xiàn)了。

功率與電壓有關(guān)，但降低工作電壓會影響性能。PrimeShield 計(jì)算每條路徑滿足時(shí)序要求的最低工作電壓，準(zhǔn)確考慮電壓松弛。利用這些數(shù)據(jù)，PrimeShield執(zhí)行電壓魯棒性分析，以識別具有大IR壓降靈敏度和引腳松弛不足的瓶頸電池。因此，設(shè)計(jì)人員可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)最低的工作電壓，同時(shí)達(dá)到性能目標(biāo)。

因此，PrimeShield電壓松弛和魯棒性分析使用戶能夠提高超低功耗設(shè)計(jì)中對電壓變化的設(shè)計(jì)彈性，并進(jìn)一步節(jié)省功耗以獲得最佳能效。

審核編輯：郭婷