在芯片設計領域，功耗始終是最重要的考量因素之一。芯片設計開發者們一直在努力優化功耗和性能目標，“低功耗”已然成為人們一直掛在嘴邊的口號。然而高性能計算 （HPC） 和人工智能 （AI） 等應用需要更復雜的芯片，這也將成為改變功耗的影響因素之一。

在這篇文章中，我們將會探討今年在芯片設計過程中可能會出現的有關功耗的關鍵考量因素。

2019年底Cerebras 推出了世界上最大的芯片，晶圓級引擎 （WSE），面積為 46，225mm2，集成了 1.2 萬億個晶體管和 40萬個經過 AI 優化的內核，并已成為該公司 Cerebras CS-1 深度學習系統的核心元件。如果考慮面積超過 800mm2 芯片的物理特性，我們會發現，只有小心翼翼地管理功耗，才能獲得同等的性能優勢。由于 AI 所需的海量計算力會持續增長，芯片規模也會不斷變大，攜帶更多晶體管，或變成垂直架構。

溫度是限制芯片性能的關鍵因素之一。

一個晶圓上分布著大量的晶體管，如此高的密度使得結溫升高，從而導致芯片性能下降。由于功率會嚴重限制芯片性能，設計人員因此必須考慮熱失控問題。EDA公司越來越重視溫度因素，并將其視為與PPA（性能、功耗、面積）同等重要的芯片設計目標。

垂直架構的優點之一是不必將所有晶圓置于同一幾何層面，設計人員因此可以在各個給定的晶圓中，運用最適合現有任務的工藝節點，更加合理地管理整體功耗。但3DIC仍然面臨著一個難題，即如何在不損耗電壓的情況下，為設備上的所有部件輸送電力。

因此，保持電源完整性并擁有高效的電力輸送網絡變得尤為關鍵，尤其是對于那些規模較大的芯片來說。設計人員在從 A 點向 B 點輸送電壓時，都會竭力減少壓降。

然而在較低的幾何層面，總電容還是會升高。當柵極電容升高時，動態功耗就會隨之增加，所以設計人員需要從功能角度出發，研究并尋求更加出色的監控以及動態和靜態 IR 壓降。

動態 IR 壓降是另一個難題，因為它和芯片行為密切相關。

如何獲得一個正確的向量來代表它在現場實體系統中的行為方式，大都取決于其正在執行的功能。然而向量的質量是進行動態功耗分析和優化的首要因素，為此，基于仿真的功耗分析提供了一種解決方案。

比如，在真正的SoC設計系統上運行某一實際應用時，業內最快的仿真系統ZeBu Server 4 可以準確定位到右側窗口/向量，從而為功耗分析提供支持。設計人員從而能夠更加準確地判定 SoC 的功耗，并相應地調整 RTL。

管理物聯網（IoT） 設計中的功耗

雖然用于AI等應用的芯片越來越大，但另一方面，電池供電的IoT設備卻越來越多。這些設備的芯片不斷縮小，且低功耗是延長電池使用壽命和提高設備性能的關鍵。

這些應用的芯片越來越多地采用更先進的工藝節點（例如 7nm、5nm 或 3nm 節點）和遍布整個架構的柵極，因此漏電問題需要格外重視。

當運行電壓較低時，設計人員則需要多加關注晶體管之間的差異以及時序問題。

時鐘門控歷經多年發展取得了明顯進步，由簡單的時鐘門控發展為自門控，繼而實現順序時鐘門控，多年來，時鐘門控都是降低功耗最為得心應手的法寶。

而動態電壓調節 （DVS） 也是非常常見的降耗技術，許多設計都開始改用這種更先進的自適應電壓頻率調節 （AVFS） 方法。2020 年 11 月，新思科技收購 Moortec，這是一家專門提供工藝、電壓和溫度 （PVT） 傳感器芯片監控技術的領先供應商。

Moortec 傳感器是新思科技硅生命周期管理 （Silicon Lifecycle Management， SLM） 平臺的重要組件，它能夠提供芯片數據，幫助設計人員在其設計成果的時鐘網絡上更加從容地控制電壓。

這一特點也為開展分析工作創造了重大機遇，由于它能夠評估各個芯片的構成，并在設備的整個生命周期內不斷測量動態條件，因此也使得在芯片和整個產品級別同時實現功耗優化成為可能。

新思科技提供了一個軟件驅動的低功耗平臺，包括架構分析，模塊 RTL 功耗分析，以及SoC 功耗分析和優化的各種功能。該平臺具體包括：

● 新思科技 Platform ArchitectTM Ultra，用于多核 SoC 架構的早期性能和功耗分析及優化；全面展示功耗趨勢以便作出更加合理的決策，為指定設計選擇合適的架構和 IP

● 新思科技 VCS 功能驗證解決方案

● 新思科技 SpyGlass Power，用于 RTL 功耗優化；快速得出結果，可及時編輯 RTL

● 新思科技 RTL Architect（物理感知 RTL 分析、優化及簽核）和 PrimePower RTL（ RTL 功耗估算），為更加成熟的 RTL 代碼提供準確性保障

● 新思科技 DesignWare IP，具有功耗感知內核及經過功耗優化的元件庫

● 新思科技 ZeBu Server 4 仿真系統

● 新思科技 Fusion Compiler RTL-to-GDSII 數字實現解決方案，能夠從前端到后端全面優化設計的功耗

● 新思科技 RedHawk Analysis Fusion，集成新思科技 IC Compiler II 和 Fusion Compiler，能夠提供in-design電源完整性分析和修復功能

● 新思科技 TestMAX 系列測試自動化解決方案能夠生成節能型向量，確保在自動化測試設備 （ATE） 上測試 SoC

● PrimePower 門級功耗分析和金牌功耗簽核

這一低功耗平臺可以涵蓋 SoC 設計流程的每一步，使得設計人員能夠從流程之初就開始考量并優化功耗。

AI 等應用的芯片越來越大，而 IoT 的芯片卻越來越小。這些趨勢極其明確地告訴我們，功耗考量需要未雨綢繆。

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