芯片設(shè)計(jì)：如何壓低芯片的功耗

本篇故事性可能沒那么強(qiáng)^^, 我們來(lái)講講低功耗。其實(shí)低功耗這個(gè)話題前面我寫文章講過(guò)，今天我們從芯片設(shè)計(jì)的全流程重新總結(jié)一下如何壓低芯片的功耗。

1 為什么要壓低芯片功耗

這事兒其實(shí)好理解，原因很多，比如電源網(wǎng)絡(luò)不好設(shè)計(jì)，芯片容易失效等等。但是最重要的我認(rèn)為就兩點(diǎn)（敲黑板）：

續(xù)航太短，散熱太大。

對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，比如手機(jī)，電池供電的，功耗太大會(huì)縮短續(xù)航，你肯定不樂意充電一整天，電話三分鐘。

那要是插電設(shè)備呢？你肯定不樂意用個(gè)核顯還非要上個(gè)水冷。所以綜上所述，功耗要盡量做小就是了。

2 集成電路的功耗來(lái)源

既然要優(yōu)化功耗，我們先看看功耗是怎么造成的?，F(xiàn)代大規(guī)模集成電路里面廣泛用的是CMOS, Complementary Mosfet, 互補(bǔ)的晶體管。原理上上下兩個(gè)晶體管不同時(shí)導(dǎo)通，應(yīng)該沒有功耗，妥妥的永動(dòng)機(jī)（狗頭）。但實(shí)際上有非理想因素在，功耗就是這么產(chǎn)生的。

·電容充放電電流。看圖a, 實(shí)際上晶體管與地之間是有點(diǎn)容的。所以輸入從0到1變化的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致這個(gè)電容充放電。當(dāng)input為0的時(shí)候能量從VDD沖到了電容, input 為1的時(shí)候能量直接流到地。

·短路電流。由于晶體管非理想，存在某個(gè)電壓，NMOS和PMOS都導(dǎo)通，導(dǎo)致直接有VDD到VSS的通路。產(chǎn)生電流。

·漏電流。漏電流是input穩(wěn)定的時(shí)候，其實(shí)vdd和vss之間也有細(xì)微的電流流過(guò)產(chǎn)生功耗。

電容充放電和短路電流是動(dòng)態(tài)功耗，漏電流是靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗一般來(lái)講遠(yuǎn)大于靜態(tài)功耗。抓大放小，我們這個(gè)地方主要記住大頭充放電功耗怎么算的。

N是晶體管數(shù)量。

A是翻轉(zhuǎn)因子。

C是寄生電容。

V是電源電壓

F是頻率。

所以power和VDD二次方成正比，和頻率一次方成正比。主要降低功耗也就是圍繞這幾個(gè)因子來(lái)轉(zhuǎn)。

為了后面看著方便，這五個(gè)變量，代表了什么，再?gòu)?fù)習(xí)一遍。

3 功耗優(yōu)化全流程

此處我們給出一個(gè)功耗優(yōu)化全流程中各個(gè)時(shí)間點(diǎn)需要注意的功耗優(yōu)化方法。圖似乎有點(diǎn)小。看詳細(xì)說(shuō)明。

需要注意兩點(diǎn)：

1.下圖列的并不是全部的低功耗手段，只是一些我們?nèi)菀赘深A(yù)的低功耗手段，比如在第四步流片制造中代工廠顯然可以優(yōu)化工藝，降低漏電流，不過(guò)對(duì)芯片設(shè)計(jì)來(lái)講這已經(jīng)屬于環(huán)境因素了。

2.下圖只列了芯片功耗的優(yōu)化，在5步驟封裝測(cè)試中還有板級(jí)功耗的優(yōu)化，不在芯片設(shè)計(jì)討論范圍內(nèi)。

3.1 概念計(jì)劃階段

降低N：限制規(guī)格。概念計(jì)劃階段優(yōu)化功耗的手段雖然不多，但是效果其實(shí)是最明顯的。盛傳一句話，上面一張嘴，下面跑斷腿。概念計(jì)劃就處于這么一個(gè)上面的位置。后面操作只能說(shuō)是功耗優(yōu)化，概念階段確定的規(guī)格可以直接框定功耗的大致范圍。此處團(tuán)隊(duì)需要深入了解市場(chǎng)，確定什么功能要解決市場(chǎng)的痛點(diǎn)，必須做進(jìn)去，什么東西是個(gè)偽需求，不要做進(jìn)芯片徒增功耗。比如人臉識(shí)別的芯片你非要加入一個(gè)GPS導(dǎo)航，這功耗不就上去了。再比如給筆記本的芯片，你強(qiáng)行造出一個(gè)臺(tái)式的功耗，肯定也是不行的。

識(shí)別什么特性是必須的，什么特性可以砍掉，是功耗重要，還是性能重要。在概念計(jì)劃階段就要搞明白。

比如下面這兩個(gè)東西，功耗肯定是差異巨大的。

3.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段

功耗優(yōu)化的大部分手段出在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段。我們一個(gè)一個(gè)來(lái)講。

3.2.1 算法

算法階段優(yōu)化此處介紹三個(gè)常用的。

降低A和N：減少計(jì)算復(fù)雜度。算法最有效的做法是直接減少算法的復(fù)雜度。比如同樣一個(gè)人臉識(shí)別的AI芯片，在識(shí)別精度相同的情況下，使用VGG明顯比使用ResNet甚至MobileNet這些輕量化網(wǎng)絡(luò)費(fèi)功耗的多。所以算法部門一個(gè)永恒的目標(biāo)是如何在不太損失精度的前提下降低計(jì)算復(fù)雜度。有時(shí)候同樣一個(gè)任務(wù)精度一樣計(jì)算復(fù)雜度可能會(huì)降低十倍不止。

降低A：算法優(yōu)化翻轉(zhuǎn)概率。這個(gè)事情比較玄學(xué)。比如訓(xùn)練一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，盡量讓網(wǎng)絡(luò)推理的過(guò)程中翻轉(zhuǎn)概率最低。再比如算法來(lái)個(gè)自適應(yīng)，在信號(hào)比較好的時(shí)候采用一個(gè)比較弱的信道估計(jì)，在信號(hào)不好的時(shí)候啟動(dòng)比較強(qiáng)的信道估計(jì)等等。

降低N：降低計(jì)算精度。對(duì)于芯片來(lái)講，除了特殊需求，大多數(shù)計(jì)算都是定點(diǎn)的。那采用什么精度的定點(diǎn)就很容易影響功耗。比如計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，由于網(wǎng)絡(luò)自身就可以容錯(cuò)，算法可以不斷壓縮定點(diǎn)。比如用個(gè)8bit, 4bit看看結(jié)果如何。這部分大量運(yùn)用于各類芯片。尤其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通信等等。如何降低精度有一系列的辦法。采用指數(shù)壓縮，分組定點(diǎn)化等等。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不通層有不同的定點(diǎn)化來(lái)降低計(jì)算精度。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，把兩個(gè)浮點(diǎn)的指數(shù)為共享，這樣相同精度下節(jié)省存儲(chǔ)量，或者相同比特位寬下提高精度。

3.2.2 概設(shè)

概設(shè)階段主要是從模塊級(jí)對(duì)芯片的功耗進(jìn)行控制。

降低A：Clock Gating。一般模塊級(jí)的clock gating信號(hào)都要我們手動(dòng)根據(jù)設(shè)計(jì)功能加入的。比如在CPU核沒有任務(wù)的時(shí)候要把CPU的clock直接關(guān)掉，節(jié)省時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗。

降低V：Power Gating。對(duì)于能預(yù)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間不用的模塊，要設(shè)計(jì)power gating，將不用的模塊直接關(guān)掉。如下圖所示，一個(gè)CPU系統(tǒng)，其實(shí)Memory可能不能掉電，Core和MAC什么的如果不用都可以power gating。

power gating有一定成本（功耗和面積上都有），所以一個(gè)模塊要不要做power gating要逐個(gè)分析。

降低V：Multi-VDD。現(xiàn)在的芯片都比較大，沒必要所有模塊都跑在一個(gè)電壓下。比如下面這樣，CACHE RAMS電壓高一點(diǎn)，SOC部分電壓可以低一點(diǎn)。

降低F: Multi-Clock Domain。和上一條往往有聯(lián)動(dòng)關(guān)系，這個(gè)地方還附帶有另一個(gè)效果，降低F。可以根據(jù)電壓域講芯片分為若干的時(shí)鐘域，有些部分時(shí)鐘慢一些來(lái)減小功耗。

降低V和F：DVFS。Dynamic Voltage and Frequency Scaling。這個(gè)是現(xiàn)代芯片中非常常用的手段。根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載自動(dòng)的調(diào)整電壓和頻率。如下圖所示，一般來(lái)講，電壓越高芯片能跑的頻率也就越高。DVFS就是反其道行之。比如手機(jī)只有2G網(wǎng)，手機(jī)芯片就顯然不用跑在最高頻率。從而可以大量減少功耗。

3.2.2 編碼

接下來(lái)就到了最喜聞樂見的編碼階段。

個(gè)人認(rèn)為這個(gè)部分功耗的優(yōu)化有用，但有的明顯，有的不明顯，和i++與++i有異曲同工之妙，比如常見的FSM狀態(tài)機(jī)要用格雷編碼這事兒，就只能說(shuō)節(jié)省了，但仿佛又沒有節(jié)省。但由于編碼自帶炫技屬性，所以寫代碼的時(shí)候還是要在意一下，此處講講我覺得最重要的三點(diǎn)。

降低A或者V：Memory Cell的低功耗使用。這個(gè)在編碼階段是絕對(duì)要注意到的。SRAM對(duì)于數(shù)據(jù)處理類的芯片來(lái)講功耗開銷非常大。這個(gè)我們重點(diǎn)講講。

·存儲(chǔ)量大的情況下盡量使用Memory。采用SRAM cell實(shí)現(xiàn)的讀寫比使用寄存器堆使用的讀寫省功耗。所以如果存儲(chǔ)量夠大，建議使用SRAM。

·選用低功耗的SRAM Cell。SRAM cell一般都是由memory compiler生成的。比如購(gòu)買ARM的compier. 一般來(lái)講會(huì)提供各種類型的SRAM cell。盡量選擇低功耗的SRAM cell。

·SRAM Cell要盡量使用低功耗mode。SRAM一般會(huì)留出power gating, deep sleeping, retention, clock gating等等端口，這些端口要根據(jù)實(shí)際情況用起來(lái)，SRAM不用的時(shí)候要把它低功耗起來(lái)。

·避免無(wú)意義的讀寫。SRAM的讀寫都是有功耗的。比如訪問(wèn)嫌麻煩，降rd_en一直拉有效這種做法是要避免的。同時(shí)，即使沒有wen, 數(shù)據(jù)端口信號(hào)變化也會(huì)產(chǎn)生功耗，能不變盡量不變。

降低A：操作數(shù)隔離。比如加法器，乘法器這些部件，組合邏輯，只要操作數(shù)有變化就會(huì)產(chǎn)生功耗。所以采用操作數(shù)隔離，將不用的操作數(shù)直接置0可以省功耗。

降低A：自動(dòng)門控。這個(gè)非常好實(shí)現(xiàn)，節(jié)省功耗效果還算明顯。綜合工具可以直接幫忙加入。如下圖所示，只要代碼風(fēng)格寫的好，綜合工具就能自動(dòng)幫你門控。

如果不開低功耗的綜合，綜合出的電路是這樣的

如果開了低功耗的綜合，綜合出來(lái)就是這樣的

如果Q就1兩個(gè)bit，那其實(shí)使用mux更省一些。如果Q比較寬，例如Q為32bit的話插入ICG就收益非常明顯。

既節(jié)省了功耗，1個(gè)ICG肯定是小于32個(gè)mux。所以自動(dòng)門控可以既節(jié)省功耗，又節(jié)省面積。

降低A：無(wú)復(fù)位寄存器。數(shù)據(jù)通路上往往還有辦法。。。比如大量使用寄存器的地方，其實(shí)可以不用復(fù)位，采用無(wú)復(fù)位的寄存器，既可以節(jié)省面積，防止擁塞，又可以節(jié)省功耗。

3.2.3 實(shí)現(xiàn)

這個(gè)步驟主要是由DC搞邏輯門優(yōu)化的騷操作。不需要我們干預(yù)什么，比如下面這樣。

對(duì)于上面這種，對(duì)于一個(gè)門有可能各個(gè)Pin的功耗其實(shí)不一樣的。把變化率低的信號(hào)mapping到低功耗的pin上就有好處。

3.2.4 較為激進(jìn)的新技術(shù)

這部分可能目前的芯片不一定用的上。先提一嘴。等著技術(shù)發(fā)展。后面也可以專門寫寫這些新技術(shù)。

·Process In Memory，存內(nèi)計(jì)算。能節(jié)省Memory到計(jì)算單元的搬運(yùn)功耗。

·Nonvolatile Memory, 非易失存儲(chǔ)。用非易失的存儲(chǔ)，一方面，讀功耗比SRAM小，二方面，不用就關(guān)電壓。

·亞閾值/近閾值技術(shù)。設(shè)計(jì)電路，降電壓降到閾值附近甚至低于閾值。增大靜態(tài)功耗的代價(jià)換取小的動(dòng)態(tài)功耗。

3.3 流片制造階段

這個(gè)階段其實(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)大多數(shù)不可見的。我們講講兩個(gè)可見的。主要是std_cell可以選擇。理論上，隨著工藝的演進(jìn)，電壓會(huì)降低，但是由于工藝越先進(jìn)，一般芯片做出來(lái)頻率越快，單位面積上的晶體管也更大，所以工藝演進(jìn)對(duì)功耗的影響其實(shí)不好說(shuō)。

3.3.1 Multi-bit Cell

比如寄存器，這個(gè)東西版圖一般是由代工廠來(lái)給的。單個(gè)寄存器版圖如下圖。

如果這個(gè)東西不定制，DC會(huì)搞出兩個(gè)一毛一樣的cell，這時(shí)候提供這樣一個(gè)2bit cell

或者這樣提供一個(gè)4bit cell，功耗就能小。

能降功耗主要?dú)w功于clock pin電容降低了，時(shí)鐘樹buffer減小了。繞線也變短了。

3.3.2 提供不同閾值的晶體管

一般來(lái)講，代工廠會(huì)提供好多種閾值電壓的cell. HVT和LVT就是兩種典型cell。HVT晶體管不容易switch, 功耗低LVT速度更快，但功耗更大。

3.4 封裝測(cè)試階段

封裝測(cè)試階段芯片其實(shí)已經(jīng)都定型了，芯片本身的功耗優(yōu)化還剩最后一個(gè)手段。AVS。AVS指的是Adaptive Voltage Scaling。基本原理是芯片做出來(lái)后篩選一波。有些芯片正好就造的比較好，那就降低點(diǎn)電壓，有的芯片造的不行，只能提電壓。由于工藝誤差等等各方面因素，芯片就是有體質(zhì)的不同。。。比如intel的CPU，有的能超頻，有的超不動(dòng)。這個(gè)階段就在瘋轉(zhuǎn)測(cè)試階段來(lái)做。篩片降功耗。