文 | 大顺

简要介绍了功耗的组成，在此基础上从工艺、电路、门、系统四个层面探讨了纳米级超大规模集成电路的低功耗物理设计方法。

关键词：纳米级；超大规模集成电路；电路芯片；电路设计

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纳米级超大规模集成电路芯片低功耗物理设计方法

2.4 系统层面的芯片低功耗物理设计 

2.4.1 软硬件划分软硬件划分是指将电路系统分为软件、硬件两部分。目前，很多知名电子设计自动化 EDA 公司已相继发布了系统层面的电路设计软件，能够实现电路系统层面软硬件划分，被行业广泛应用。例如，Synopsys 公司的 CoCentric 可以同时设计、仿真、实现多个系统核心元器件，Cadence 推出的 Virtual Component Co-design可以定义、分析、优化系统层面的电路设计，给电路设计者提供了系统集成、验证所需技术和工具，图形化界面方便设计人员进行协同设计和验证。利用这些软件设计人员可以从系统层面对软件、硬件两个角度综合考虑，确定最佳设计方案。2.4.2 功耗管理功耗管理包括动态、静态两种管理方式。动态功耗管理是指根据实际情况控制空闲模块关闭，以减少功耗。静态功耗管理的对象是电路工作模式。如果系统空闲，则停止芯片工作，休眠系统，从而减少功耗。动态功耗管理实现需要操作系统，因此其应用受到限制。2.4.3 指令优化指令优化流程包括如下 4 步。(1)提取指令集。合理选用指令集可以让系统功耗降至最低。(2)合理选择指令长度，提高程序代码密度，从而降低对存储器的访问，降低功耗。(3)优化指令编码，减少指令读取时总线信号翻转，以降低功耗。(4)压缩指令，指令在内存中进行压缩，输入CPU 之前再解压可以降低 CPU 功耗。

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基于 Golden UPF 的低功耗物理设计流程

Golden UPF 主要有便于追踪、无需修改 UPF 文件及设计效率高等优点。因此，本次研究基于 GoldenUPF(Unified Power Format)进行低功耗物理设计，在满足电路性能需求的情况下实现低功耗设计目标，设计基本流程如图 2 所示。

在开始设计前要准备好相应资料，主要包括如下3 个。(1)网表。使用逻辑综合工具，将设计好的 RTL代码转换为基于特定工艺库的逻辑门级网表。(2)SDC 文件。用 Tcl 语言编写用于表述设计目标的一种文件，如面积、时序、功耗等方面的设计目标。目前，电路低功耗设计多采用多重边角多重模式(MCMM)需多个 SDC 文件来确保设计正确。(3)UPF 文件。Unified Power Format 文件对电路低功耗物理设计思路进行了规定，用于设计的全过程。准备好这些资料之后，通过低功耗物理设计将网表转换成 GDS2 格式版图文件，经多次 ECO 修复时序违例后，在 MVtool 中检查低功耗器件插入正确性。再抽取版图 RC 参数，使用功耗分析软件读取 ICC 输出的门级网表、对应 UPF 对电路功耗进行计算。本文简要介绍了电路功耗的构成，分别从工艺、电路、门、系统四个层面研究了低功耗物理设计方法，但是低功耗设计领域还有很多待解决的问题，因此还有待进一步研究，以不断降低芯片功耗。