本篇故事性可能沒那么強(qiáng)^^, 我們來講講低功耗。其實(shí)低功耗這個話題前面我寫文章講過，今天我們從芯片設(shè)計的全流程重新總結(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，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。

對于移動設(shè)備，比如手機(jī)，電池供電的，功耗太大會縮短續(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？你肯定不樂意用個核顯還非要上個水冷。所以綜上所述，功耗要盡量做小就是了。

2 集成電路的功耗來源

既然要優(yōu)化功耗，我們先看看功耗是怎么造成的。現(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。原理上上下兩個晶體管不同時導(dǎo)通，應(yīng)該沒有功耗，妥妥的永動機(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變化的時候會導(dǎo)致這個電容充放電。當(dāng)input為0的時候能量從VDD沖到了電容, input 為1的時候能量直接流到地。

·短路電流。由于晶體管非理想，存在某個電壓，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)定的時候，其實(shí)vdd和vss之間也有細(xì)微的電流流過產(chǎn)生功耗。

電容充放電和短路電流是動態(tài)功耗，漏電流是靜態(tài)功耗。動態(tài)功耗一般來講遠(yuǎn)大于靜態(tài)功耗。抓大放小，我們這個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因子來轉(zhuǎn)。

為了后面看著方便，這五個變量，代表了什么，再復(fù)習(xí)一遍。

3 功耗優(yōu)化全流程

此處我們給出一個功耗優(yōu)化全流程中各個時間點(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，不過對芯片設(shè)計來講這已經(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步驟封裝測試中還有板級功耗的優(yōu)化，不在芯片設(shè)計討論范圍內(nèi)。

3.1 概念計劃階段

降低N：限制規(guī)格。概念計劃階段優(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。概念計劃就處于這么一個上面的位置。后面操作只能說是功耗優(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，確定什么功能要解決市場的痛點(diǎn)，必須做進(jìn)去，什么東西是個偽需求，不要做進(jìn)芯片徒增功耗。比如人臉識別的芯片你非要加入一個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)行造出一個臺式的功耗，肯定也是不行的。

識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。在概念計劃階段就要搞明白。

比如下面這兩個東西，功耗肯定是差異巨大的。

3.2 設(shè)計驗(yàn)證階段

功耗優(yōu)化的大部分手段出在設(shè)計驗(yàn)證階段。我們一個一個來講。

3.2.1 算法

算法階段優(yōu)化此處介紹三個常用的。

降低A和N：減少計算復(fù)雜度。算法最有效的做法是直接減少算法的復(fù)雜度。比如同樣一個人臉識別的AI芯片，在識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。所以算法部門一個永恒的目標(biāo)是如何在不太損失精度的前提下降低計算復(fù)雜度。有時候同樣一個任務(wù)精度一樣計算復(fù)雜度可能會降低十倍不止。

降低A：算法優(yōu)化翻轉(zhuǎn)概率。這個事情比較玄學(xué)。比如訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，盡量讓網(wǎng)絡(luò)推理的過程中翻轉(zhuǎn)概率最低。再比如算法來個自適應(yīng)，在信號比較好的時候采用一個比較弱的信道估計，在信號不好的時候啟動比較強(qiáng)的信道估計等等。

降低N：降低計算精度。對于芯片來講，除了特殊需求，大多數(shù)計算都是定點(diǎn)的。那采用什么精度的定點(diǎn)就很容易影響功耗。比如計算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時候，由于網(wǎng)絡(luò)自身就可以容錯，算法可以不斷壓縮定點(diǎn)。比如用個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。舉個簡單的例子，可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不通層有不同的定點(diǎn)化來降低計算精度。

舉個簡單的例子，把兩個浮點(diǎn)的指數(shù)為共享，這樣相同精度下節(jié)省存儲量，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對芯片的功耗進(jìn)行控制。

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

降低V：Power Gating。對于能預(yù)測長時間不用的模塊，要設(shè)計power gating， 將不用的模塊直接關(guān)掉。如下圖所示，一個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），所以一個模塊要不要做power gating要逐個分析。

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)動關(guān)系，這個地方還附帶有另一個效果，降低F。可以根據(jù)電壓域講芯片分為若干的時鐘域，有些部分時鐘慢一些來減小功耗。

降低V和F：DVFS。Dynamic Voltage and Frequency Scaling。這個是現(xiàn)代芯片中非常常用的手段。根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載自動的調(diào)整電壓和頻率。如下圖所示，一般來講，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

接下來就到了最喜聞樂見的編碼階段。

個人認(rèn)為這個部分功耗的優(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。這個在編碼階段是絕對要注意到的。SRAM對于數(shù)據(jù)處理類的芯片來講功耗開銷非常大。這個我們重點(diǎn)講講。

·存儲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。比如購買ARM的compier. 一般來講會提供各種類型的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，SRAM不用的時候要把它低功耗起來。

·避免無意義的讀寫。SRAM的讀寫都是有功耗的。比如訪問嫌麻煩，降rd_en一直拉有效這種做法是要避免的。同時，即使沒有wen, 數(shù)據(jù)端口信號變化也會產(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：自動門控。這個非常好實(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，綜合出來就是這樣的

如果Q就1兩個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ICG肯定是小于32個mux。所以自動門控可以既節(jié)省功耗，又節(jié)省面積。

降低A：無復(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。

對于上面這種，對于一個門有可能各個Pin的功耗其實(shí)不一樣的。把變化率低的信號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)計算。能節(jié)省Memory到計算單元的搬運(yùn)功耗。

·Nonvolatile Memory, 非易失存儲。用非易失的存儲，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)功耗的代價換取小的動態(tài)功耗。

3.3 流片制造階段

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

3.3.1 Multi-bit Cell

比如寄存器，這個東西版圖一般是由代工廠來給的。單個寄存器版圖如下圖。

如果這個東西不定制，DC會搞出兩個一毛一樣的cell，這時候提供這樣一個2bit cell

或者這樣提供一個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

一般來講，代工廠會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 封裝測試階段

封裝測試階段芯片其實(shí)已經(jīng)都定型了，芯片本身的功耗優(yōu)化還剩最后一個手段。AVS。AVS指的是Adaptive Voltage Scaling。基本原理是芯片做出來后篩選一波。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。這個階段就在瘋轉(zhuǎn)測試階段來做。篩片降功耗。

4 總結(jié)

本文是這個系列的一篇彩蛋，講講從全流程如何優(yōu)化芯片的功耗，只能講個大概，實(shí)際情況還需要在項(xiàng)目中摸索。后續(xù)我們講講PPA里的Performance和Area。

編輯：黃飛

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