数字IC低功耗设计入门（二）——门级电路低功耗设计优化（1）！

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三、门级电路低功耗设计优化
　　（1）门级电路的功耗优化综述
　　门级电路的功耗优化(Gate Level Power Optimization，简称GLPO)是从已经映射的门级网表开始，对设计进行功耗的优化以满足功耗的约束，同时设计保持其性能，即满足设计规则和时序的要求。功耗优化前的设计是已经映射到工艺库的电路，如下图所示：
　　　　
　　门级电路的功耗优化包括了设计总功耗，动态功耗以及漏电功耗的优化。对设计做优化时，优化的优先次序如下：
　　　　
由此我们可以找到， 优化时，所产生的电路首先要满足设计规则的要求，然后满足延迟(时序)约束的要求，在满足时序性能要求的基础上，进行总功耗的优化，再进行动态功耗的优化和漏电功耗的优化，最后对面积进行优化。
　　优化时先满足更高级优先权的约束。进行低级优先权约束的优化不能以牺牲更高优先权的约束为代价。功耗的优化不能降低设计的时序。为了有效地进行功耗优化，需要设计中有正的时间冗余(timing slacks)。功耗的减少以时序路径的正时间冗余作为交换，即功耗优化时会减少时序路径上的正的时间冗余。因此，设计中正的时间冗余越多，就越有潜力降低功耗。
　　通过上面的描述，对门级功耗优化有了一下了解之后，这里先介绍一下静态功耗优化的方法——多阈值电压设计，然后介绍基于EDA工具的动态功耗的优化，接着介绍总体功耗的优化；在最后介绍一种常用的门级低功耗的方法——电源门控。电源门控我放在明天发表，今天的内容主要就是围绕静态、动态、总功耗来写。


　　（2）多阈值电压设计
①多阈值电压设计原理
　　由于半导体工艺越来越先进，半导体器件的几何尺寸越来越小，器件中的晶体管(门)数越来越多，器件的供电电压越来越低，单元门的阈值电压越来越低。由于单位面积中的单元门越来越多，功耗密度高，器件的功耗大。因此，设计时，我们要对功耗进行优化和管理。在90nm或以下的工艺，静态功耗要占整个设计功耗的20%以上。因此，使用超深亚微米工艺时，除了要降低动态功耗，还要降低静态功耗。在超深亚微米工艺，单元门的阈值电压和漏电功耗（静态功耗）有如下图所示的关系：
　　　　　　
由图可见，阈值电压Vt以指数关系影响着漏电功耗。阈值电压Vt与漏电功耗和单元门延迟有如下关系:
　　　　　　　　阈值电压Vt越高的单元，它的漏电功耗越低，但门延迟越长，也就是速度慢；
　　　　　　　　阈值电压Vt越低的单元，它的漏电功耗越高，但门延迟越短，也就是速度快。
我们可以利用多阈值电压工艺库的这种特点，进行漏电功耗的优化，设计静态功耗低性能高的电路。
　　一般的设计中，一个时序路径组((timing path group)有多条时序路径，延迟最大的路径称为关键路径。根据多阈值电压单元的特点，为了满足时序的要求，关键路径中使用低阈值电压的单元(low Vt cells)，以减少单元门的延迟，改善路径的时序。而为了减少静态功耗，在非关键路径中使用高阈值电压的单元(high Vt cells)，以降低静态功耗。因此，使用多阈值电压的工艺库，我们可以设计出低静态功耗和高性能的设计。上面的描述如下图所示：
　　　　　　　　　　



②门级网表/RTL代码的多阈值电压设计
　　多阈值电压设计可以在门级网表或者RTL代码的时候就进行，也可以在后面布线后进行。门级网表/RTL代码的多阈值电压设计（或者说是静态功耗优化）流程如下所示：
　　　　　　
一个对应的示例脚本如下所示：
　　　　set   target_library   "hvt.db   svt.db   lvt.db"
　　　　······
　　　　read_verilog   mydesign.v
　　　　current_design   top
　　　　source   myconstraint.tcl
　　　　······
　　　　set_max_leakage    -power   0mw
　　　　compile
　　　　······
与以前的脚本不同，设置target_library时，我们用了多个库。上列中，目标库设置为 "hvt.db   svt.db   lvt.db"脚本中使用set_max_leakage_power命令为电路设置静态功耗的约束。在运行compile命令时，Power Compiler将根据时序和静态功耗的约束，在目标库选择合适的单元，在满足时序约束的前提下，尽量使用Svt或Hvt单元，使优化出的设计性能高，静态功耗低。
　　PS：如果在Physical Compiler工具（现在我们使用DC的拓扑模式）里做漏电功耗优化时，我们可以保留一点正的时间冗余(positive slack)，使电路不会在极限的时序下工作.这些时间冗余量也可被后面其他的优化算法所使用。设置时间冗余的命令如下:
　　　　set   physopt_power_critical_range   时间量