過(guò)往的文章我們談了好多優(yōu)化功耗的手段，顯然，功耗不能等流片以后直接測(cè)試芯片功耗。在EDA階段我們就要有辦法對(duì)功耗進(jìn)行一個(gè)仿真。

這篇文章我們以PTPX為例，講講芯片在設(shè)計(jì)階段是如何仿真功耗的。

1 常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)功耗模型

在講PTPX之前，先簡(jiǎn)單講講標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的模型。

如上圖，實(shí)際上電路都可以建模成一個(gè)drvier, 一個(gè)receiver, 以及中間的傳輸路徑。

實(shí)際上，為了描述上面這個(gè)系統(tǒng)，功耗仿真中標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)有兩種功耗模型：

·NLDM (Non Linear Delay Model)

·CCS(Composite Current Source)

1）NLDM模型

這種模型driver model認(rèn)為是一個(gè)內(nèi)阻恒定的電壓源，receiver model是認(rèn)為是一個(gè)電容，顯然，輸出電壓是時(shí)間的線性函數(shù)。

我們從輸出曲線上也能看到，這種模型其實(shí)是比較粗暴地，只要三個(gè)點(diǎn)就能確定。在65nm以下很不精確，所以我們有了CCS模型。

2）CCS模型

這種模型是Synopsys提出的。提高了精確度。driver model變成了一個(gè)非線性的符合電流源，電流隨電壓和時(shí)間變化。receiver model變成了兩個(gè)電容的并聯(lián)。

得到的大致曲線如下圖。

實(shí)際上，PTPX兩種模型都支持，一般先進(jìn)工藝在標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)中要提供CCS模型的曲線。

2 功耗是如何計(jì)算的

對(duì)功耗模型有了一個(gè)大致了解以后，我們繼續(xù)搞明白PTPX計(jì)算功耗的原理。PTPX的功耗是分部計(jì)算的。

功耗主要是有l(wèi)eakage power和dynamic power兩部分組成的。

1）Leakage power

我們先說(shuō)這個(gè)，leakage power。leakge power顧名思義，到處漏掉的電流。

主要分析起來(lái)，有兩種

·intrinsic leakage power, 源極和漏極之間的漏電流。上圖中，電流I1,I2,I3都算。

·gate leakage power，柵極和源漏之間的漏電流。上圖I4算gate leakage power。評(píng)論區(qū)有專業(yè)人士說(shuō)這個(gè)很小，看了一下ptpx breakdown的值，確實(shí)不大。應(yīng)當(dāng)可以忽略。

這些靜態(tài)功耗的參數(shù)，都要寫(xiě)在lib文件中，供PTPX調(diào)用，直接擬合曲線即可。

2）Dynamic Power

動(dòng)態(tài)功耗，主要也是兩種：

Switching power。如上圖藍(lán)線，這個(gè)也容易理解，我們要驅(qū)動(dòng)電路，這個(gè)CL電容是要充放電的。這個(gè)充放電的功耗就是switching power。

上面的公式中C是負(fù)載電容，V是電壓，f是翻轉(zhuǎn)頻率。應(yīng)當(dāng)好理解。有時(shí)候f也會(huì)被寫(xiě)成a*f, 翻轉(zhuǎn)率乘以頻率。

Internal power。如上圖綠線，這個(gè)表現(xiàn)在零一切換的時(shí)候兩端晶體管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，有個(gè)短路電流。我們稱之為internal power.

顯然，直接等于短路電流乘以電壓。

同樣，lib會(huì)直接提供必要的參數(shù)，供ptpx來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)功耗。

3）功耗計(jì)算小結(jié)

我們看上面這張反向器的圖。上面四種功耗都有

·Leakage Power

·intrinsic leakage power, 圖中Ilk電流造成的功耗。

·gating leakge power, 圖中Igl電流造成的功耗。

·Dynamic power

·switching power, 圖中Isw造成的功耗。用于充放電容。

·internel power. 圖中Isc造成的功耗。其實(shí)就是短路電流造成的功耗。

至此，你應(yīng)該能看懂PTPX功耗報(bào)告中各部分功耗是怎么來(lái)得。

3 PTPX的工作流程

知道了PTPX計(jì)算功耗的類型，接下來(lái)我們大致講講，PTPX的處理流程。

總結(jié)起來(lái)主要8個(gè)步驟。

·step0: 使能功耗仿真，就是個(gè)開(kāi)關(guān)，總要打開(kāi)的。

·step1: 選擇仿真模式。PTPX有兩種功耗仿真模式。一種是算平均功耗（averaged）, 另一種是根據(jù)波形詳細(xì)算（time_based）, 這兩種模式具體怎么算我們后面詳細(xì)講。

·step2: 讀入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和庫(kù)文件。其實(shí)主要是兩部分，網(wǎng)表文件(verilog,.v)和庫(kù)文件（synopsys database,.db, 提供NLPM或者CCS模型）

·step3: 設(shè)置仿真條件。主要是仿真溫度和電壓。PTPX根據(jù)溫度和電壓，根據(jù)db文件中提供的參數(shù)來(lái)計(jì)算功耗。

·step4: 指定翻轉(zhuǎn)率數(shù)據(jù)。這個(gè)地方，average模式和time_based模式提供的文件有區(qū)別。后面我們?cè)敿?xì)講這兩種模式下怎么提供文件。

·step5: 這一步提供一些額外仿真設(shè)置，按需設(shè)置，沒(méi)什么特殊的。

·step6: update power。真正開(kāi)始跑仿真。

·step7: report_power。將報(bào)告報(bào)出來(lái)。

4 總結(jié)

這篇文章講了功耗仿真的第一部分，包括了功耗模型、功耗計(jì)算方法、ptpx的基本流程。

審核編輯：黃飛