在過(guò)去 6~8 年里面，引起高度重視的全球能源與氣候危機(jī)在數(shù)個(gè)主要市場(chǎng)催生出了所謂的“綠色”技術(shù)計(jì)劃，其中較突出的領(lǐng)域當(dāng)數(shù)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體組件功耗提出了嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中包括：功耗達(dá)數(shù)百兆瓦的兆服務(wù)器群、消費(fèi)類(lèi)手持設(shè)備以及低于 45 納米半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的物理器件縮放。因此，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到：“默認(rèn)關(guān)閉”可能會(huì)成為新一代半導(dǎo)體設(shè)計(jì)實(shí)踐的靈魂。

 在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)域，默認(rèn)關(guān)閉的理念是：如果片上系統(tǒng) (SoC) 組件的某個(gè)子模塊未主動(dòng)處理數(shù)據(jù)，則應(yīng)當(dāng)參照 SoC 的電網(wǎng)“關(guān)閉”該子模塊。對(duì)于“高端”電源管理的 SoC (PM-SoC) 而言，默認(rèn)關(guān)閉工程任務(wù)就意味著需要?jiǎng)?chuàng)建眾多電源域以及一系列專用的、迄今未知且有待探索的節(jié)能技術(shù)。

 芯片設(shè)計(jì)人員在節(jié)能方面發(fā)揮的余地并不像 SoC 架構(gòu)設(shè)計(jì)工藝盛行的 IP 內(nèi)核再利用那么大。90% 的 SoC 可能都是 IP 再利用產(chǎn)品，這或許是再平常不過(guò)的事情。在性能、功能以及就本文而言的功率需求等方面各具特色的應(yīng)用市場(chǎng)中，各種組件都集成了 IP 內(nèi)核。與 PM-SoC 相關(guān)的、日益復(fù)雜的電源復(fù)雜性已經(jīng)引起了行業(yè)重視，也產(chǎn)生了對(duì)諸如統(tǒng)一功率格式 (UPF) 與通用功率格式 (CPF) 等標(biāo)準(zhǔn)化功率意圖規(guī)范格式的需求。

 在指定 PM-SoC 的功率意圖時(shí)，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)會(huì)意識(shí)到隨 PM-SoC 的 RTL 規(guī)范一起處理的功率意圖規(guī)范附屬文件的重要性。電源管理與功率意圖對(duì) SoC 設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)成微妙的影響。制造過(guò)程無(wú)法消除半導(dǎo)體設(shè)計(jì)復(fù)雜性，而且也沒(méi)有采用任何當(dāng)前或過(guò)去的 EDA 手段逃避功率意圖規(guī)范創(chuàng)建的、普遍方法的影響力。組件制造商深知其設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的 EDA 方法流程取決于幾個(gè)主要 EDA 供應(yīng)商。正是電源管理普遍性產(chǎn)生的方法影響力迫切期待整個(gè)行業(yè)制定標(biāo)準(zhǔn)化功率意圖格式規(guī)范。

 EDA 行業(yè)在半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展過(guò)程中取得的成功源于 EDA 供應(yīng)商與組件制造商的創(chuàng)新與合作。芯片公司需要重要接口的互操作性以及 EDA 供應(yīng)商提供的價(jià)值鏈，以實(shí)現(xiàn)其公司需求的定制化 EDA 軟件組合。

 相對(duì)于目前每種組件已經(jīng)超過(guò) 2500萬(wàn)美元的SoC整體研發(fā)成本，目前的 45 納米、32 納米以及 22 納米 EDA 方法流程仍然處于初期階段。組件公司必須考慮采用缺乏廣泛 EDA 行業(yè)支持的“專有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”所帶來(lái)的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。依附于某種依賴一家 EDA 公司提出的非開(kāi)放性、“受控”規(guī)范的單一芯片設(shè)計(jì)參考流程會(huì)給芯片執(zhí)行與管理人員帶來(lái)不必要的商業(yè)與工程風(fēng)險(xiǎn)。

 半導(dǎo)體行業(yè)的主要組件制造商通過(guò)與 Accellera 合作，啟動(dòng)了功率意圖的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)化工作，并產(chǎn)生了統(tǒng)一功率格式 (UPF) 1.0 標(biāo)準(zhǔn)。在 Accellera UPF 1.0 標(biāo)準(zhǔn)得到批準(zhǔn)之后，IEEE 批準(zhǔn)成立了標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)以制定 P1801 (UPF 2.0) 功率意圖標(biāo)準(zhǔn)，作為 Accellera UPF 1.0 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。

 所有功率意圖格式標(biāo)準(zhǔn)化的重要方面均體現(xiàn)在半導(dǎo)體行業(yè)眾多公司的集體參與。就此而言，UPF 標(biāo)準(zhǔn)得到了 EDA 四巨頭中三家的支持：Synopsys、Mentor Graphics 以及 Magma Design Automation。與 EDA 廠商認(rèn)可 EDA 標(biāo)準(zhǔn)同樣重要的是，工程設(shè)計(jì)界對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的接納可以決定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的有效性、質(zhì)量以及使用期限。截至本文件付梓時(shí)，就 UPF EDA 支持者所知，已經(jīng)有大約 70% 的主要半導(dǎo)體公司計(jì)劃在其組件設(shè)計(jì)流程中采納 UPF。從半導(dǎo)體代工廠角度來(lái)看，TSMC、Common Platform（IBM、三星與 chartered）以及 UMC 目前均已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的 UPF 1.0 代工廠流程。

 UPF 1.0 標(biāo)準(zhǔn)為在隔離、電平變換與保持策略方面采用面向電源域中心語(yǔ)法(power-domain-centric syntax) 的功率意圖規(guī)范打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。UPF 針對(duì)電源域范圍及限度的抽象與定義所提供的電源域高靈活性可為復(fù)雜邏輯層次中的設(shè)計(jì)元素劃分提供簡(jiǎn)明語(yǔ)義。

 圖 1、圖 2 與圖 3 分別針對(duì)相關(guān) UPF 代碼段說(shuō)明電源域范圍與限度方面的電源域元素包容進(jìn)展。其中說(shuō)明了連續(xù)與非連續(xù)電源域概念。電源域復(fù)雜性逐步增加的后續(xù)圖形采用了 UPF 命令文件 upf_a、upf_b 以及 upf_c。相關(guān)示例講解了設(shè)計(jì)人員在為原有 SoC 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率監(jiān)控架構(gòu) (power-aware architecture) 時(shí)遵循的流程。示例由以下部分組成：嵌入式處理器內(nèi)核 (UP)、DMA 引擎 (DMA)、具有發(fā)送 (XMT) 與接收 (RCV) 實(shí)例的 MAC (MAC) 以及接收緩沖器存儲(chǔ)器 (BFR)。

 功率監(jiān)控設(shè)計(jì)約束條件可以粗略定義，以便通過(guò)在 MAC 通信子系統(tǒng)中應(yīng)用電源關(guān)斷 (PSO) 降低 SoC 功耗。圖 1 中，upf_a 用于設(shè)定設(shè)計(jì)元素 UP 的相關(guān)范圍，以便創(chuàng)建“頂部”電源域。第二個(gè) set_scope 命令將范圍在邏輯層次中降低一個(gè)等級(jí)——降至設(shè)計(jì)元素 MAC，從而使用第二個(gè) create_power_domain 語(yǔ)句創(chuàng)建 PD_1。PD_1 的create_power_domain 語(yǔ)句只需一個(gè) –include_scope 選項(xiàng)即可捕獲第 4 行注釋所識(shí)別的所有元素。

設(shè)計(jì)元素 UP 與 DMA 仍然保留在頂部電源域。create_supply_net 與 create_supply_port 用于在邏輯層次 UP 創(chuàng)建顯式供電電網(wǎng) (supply net) 與端口，同時(shí)可在 PD_1 區(qū)域?yàn)橄嚓P(guān)元素（MAC、RCV、XMT 與 BFR） 創(chuàng)建邏輯層次內(nèi)的隱式供電電網(wǎng)與端口。此時(shí)，再次進(jìn)行電源分析可能就會(huì)發(fā)現(xiàn)功耗降低了 20%，但這還沒(méi)有達(dá)到較佳效果。

在接下來(lái)的優(yōu)化中，設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到發(fā)送模塊 XMT 在處于與 MAC 接收機(jī)不同情況下時(shí)應(yīng)當(dāng)是“打開(kāi)”的。此外，DMA 的數(shù)據(jù)傳輸與 MAC 的 XMT 功能息息相關(guān)，因此 DMA 與 XMT 實(shí)例可以采用相同的電源管理。為此，圖 2 中 upf_b 逐步在 upf_a 中添加一個(gè) set_scope 命令與一個(gè) create_power_domain 命令，可以創(chuàng)建電源域 PD_2。upf_b 利用第三個(gè) set_scope 命令將范圍提高一個(gè)等級(jí)，從而可以捕獲用于包含到 PD_2 中的元素 UP/DMA，同時(shí)利用 –elements 參數(shù)從 PD_1 提取元素 UP/MAC/XMT。

設(shè)計(jì)元素 UP 仍然保留在頂部電源域。應(yīng)當(dāng)采用 create_supply_net 與 create_supply_port 命令在邏輯層次級(jí)別的 UP 創(chuàng)建顯式供電電網(wǎng)與端口。然后在邏輯層次內(nèi)為 PD_2 創(chuàng)建隱式供電端口連接，以實(shí)現(xiàn)元素 DMA 與 XMT 之間的供電電網(wǎng)連接。由于 PD_2 的非連續(xù)性屬性使隱式供電端口連接需要經(jīng)過(guò) PD_1 的邏輯層次。通過(guò)電源分析，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)較初的功耗又降低了 10%。

 在較后優(yōu)化中，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)在 UP 斷電時(shí)可以關(guān)閉存儲(chǔ)器緩沖器。因此，圖 3 在 upf_b (upf_c) 基礎(chǔ)上可利用較后一個(gè) create_power_domain 語(yǔ)句創(chuàng)建一個(gè)雙元素、非連續(xù)電源域 PD_3。采用 upf_c 可以通過(guò) –elements 參數(shù)從 PD_1 提取元素 UP/MAC/BFR，與此同時(shí)，也可結(jié)合 -include_scope 參數(shù)的使用在邏輯層次中封裝頂部元素 A。

 頂部電源域不再包含任何設(shè)計(jì)元素。在明確創(chuàng)建供電電網(wǎng)與端口時(shí)，與 PD_1和PD_2 一樣，此時(shí)在 PD_1 的邏輯層中為 PD_3 引入另外一組隱式供電端口連接。較終電源優(yōu)化分析表明較初的功耗可進(jìn)一步降低 10%。

 在較終分析中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)逐步采用 UPF 約束、在不對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì) IP 進(jìn)行任何 RTL 修改情況下使較初 SoC 子系統(tǒng)的功耗降低了 40%。從上例可以看出，采用 UPF 功率意圖附加文件并結(jié)合 UP SoC IP RTL，可以輕松將 UP IP 移植到可能具有不同電源要求的其他 SoC 目標(biāo)市場(chǎng)。

 IP 再利用與 SoC 集成對(duì)當(dāng)前及未來(lái)具有重要意義，這將使 UPF 1.0 開(kāi)發(fā)人員對(duì)分離功率意圖規(guī)范與實(shí)施產(chǎn)生濃厚興趣。由于允許 IP 內(nèi)核執(zhí)行獨(dú)立的 UPF 功率意圖實(shí)施，設(shè)計(jì)架構(gòu)師能夠在芯片架構(gòu)開(kāi)發(fā)前期制定功率意圖。

 在 UPF 1.0 提供完備功率意圖語(yǔ)義的同時(shí)，IEEE P1801 (UPF 2.0) 標(biāo)準(zhǔn)可通過(guò) load_simstate_behavior 與 set_simstate_behavior 命令擴(kuò)展仿真建模的功率意圖命令集。采用 UPF 2.0 供電電平的延伸定義（正如 PARTIAL_ON、UNDETERMINED、FULL_ON 或 OFF 語(yǔ)義定義的那樣），可以對(duì) low-Vdd-standby的仿真行為進(jìn)行有效建模。引入了新的電源狀態(tài)定義，用于定義電源組的仿真狀態(tài)，如：CORRUPT_ON_ACTIVITY、CORRUPT_STATE_ON_ACTIVITY 與 CORRUPT_STATE_ON_CHANGE，從而可提高 RTL 功率監(jiān)控仿真行為的精確度。

 UPF 的命令分層或優(yōu)化語(yǔ)義使 IP 供應(yīng)商能夠指定執(zhí)行哪些部分的功率意圖抽象，且無(wú)需擔(dān)心具體實(shí)施細(xì)節(jié)。UPF 命令分層可以針對(duì)通用 IP 內(nèi)核的垂直市場(chǎng)應(yīng)用制定可重復(fù)利用、獨(dú)立于技術(shù)的 UPF 規(guī)范。IP 用戶／實(shí)施方可以提供附加優(yōu)化規(guī)范，如：use_interface_cell，可以針對(duì)特定電源管理架構(gòu)或技術(shù)庫(kù)描述功率意圖規(guī)范的實(shí)施方式。

 UPF 2.0 通過(guò)增加電源組概念擴(kuò)展了 UPF 1.0 的抽象與優(yōu)化功能。利用預(yù)定義或占位符電源組句柄增強(qiáng)了功率意圖優(yōu)化功能。采用電源組可以將供電電網(wǎng)整合到預(yù)定義的主電軌、電源電軌、default_retention 以及 default_isolation 電軌。關(guān)聯(lián)命令 associate_supply_set 為電源組參考提供句法間接模式 (syntactic indirection)，可以為預(yù)定義電源組函數(shù)（如：power、ground、pwell 或 nwell 指示）創(chuàng)建附加電軌參考。另外還可定義定制供電電網(wǎng)函數(shù)。UPF 2.0 中的電源組抽象概念可定義用于復(fù)雜功率意圖層級(jí)的隱式與自動(dòng)連接語(yǔ)義