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1 概述
ANSYS PowerArtist是面向功耗設(shè)計的綜合性平臺，部分低功耗半導(dǎo)體設(shè)計公司在早期的寄存器傳輸級（RTL）功耗分析及優(yōu)化過程中會選擇使用該平臺。PowerArtist既方便您執(zhí)行物理感知RTL功耗預(yù)算、交互調(diào)試、分析驅(qū)動型降耗、功耗回歸以及得到實時應(yīng)用的功耗波形，又有助于實現(xiàn)一種可無縫RTL到物理設(shè)計的檢查電源完整性的方法。
功耗效率是半導(dǎo)體設(shè)計中的首要考慮因素。從事于各類應(yīng)用（從手機(jī)到CPU 到網(wǎng)絡(luò)及汽車集成電路）的RTL設(shè)計師會在開發(fā)周期的早期使用ANSYS PowerArtist分析和降低功耗，以產(chǎn)生較好的效果。與傳統(tǒng)的門級方法相比，PowerArtist加快數(shù)百萬實例設(shè)計的迭代時間，并且有助于及早做出功耗相關(guān)的設(shè)計決定。為確保這些在早期所做的設(shè)計決定的可靠性，PACE（PowerArtist校準(zhǔn)及估算）技術(shù)通過以獨特的方式模擬物理實現(xiàn)（包括時鐘樹、網(wǎng)狀時鐘網(wǎng)絡(luò)）、連線電容以毛刺，提供精確的RTL功耗值并識別降低功耗的機(jī)會。
PowerArtist自動識別時鐘網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)路徑以及存儲器體系結(jié)構(gòu)中的模塊級、實例級的時序電路及組合電路的降耗機(jī)會，以實現(xiàn)較大程度的功耗目標(biāo)。借助強(qiáng)大的交互圖形化調(diào)試環(huán)境，RTL設(shè)計師（尤其是對功耗不熟悉的設(shè)計師）可以輕松有效地排查功耗熱點。借助PowerArtist的時鐘門控、功耗效率指標(biāo)以及TCL自定義查詢接口，設(shè)計師可以通過回歸方法密切跟蹤功耗情況。
PowerArtist具有業(yè)界高效的功耗分析能力，可以在數(shù)小時內(nèi)分析包含幾十毫秒的實時應(yīng)用程序的活動，比傳統(tǒng)方法快好幾個數(shù)量級。此外，PowerArtist與硬件仿真器的活動數(shù)據(jù)流以及關(guān)鍵信號接口還能將仿真時間縮短一個數(shù)量級。通過快速從數(shù)百萬個RTL活動周期找到功耗關(guān)鍵周期，PowerArtist可以生成獨特的RTL功耗模型（可與ANSYS RedHawk連接）并實現(xiàn)一種無縫的RTL到物理設(shè)計的電源分析方法（適用于早期的電源分配網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及設(shè)計交付）。
2 功能特點
? RPowerArtist關(guān)鍵功能
· 物理感知 RTL功率預(yù)算
· 綜合功率分析和探索
· 分析驅(qū)動型自動化降耗
· 針對實際應(yīng)用的功耗分析及預(yù)算管理
· 實際應(yīng)用的功率分析
· 基于功耗效率指標(biāo)的回歸
· RTL驅(qū)動的電源完整性
· 功率范圍矢量評分分析
? 物理感知型RTL功耗預(yù)算
早期的功耗分析有助于您做出具有影響力的設(shè)計決定。但制程節(jié)點越先進(jìn)，物理設(shè)計考量對功耗的影響越大。這可能導(dǎo)致設(shè)計流程中RTL與后期門級網(wǎng)表階段之間的功耗估算出現(xiàn)更大的變化。由于差距不斷拉大，所以無法保證降低功耗的RTL改變可以在物理實現(xiàn)的過程中貫徹實施。
PowerArtist模擬主要的RTL級物理設(shè)計考量，包括時鐘、毛刺以及連線電容。PowerArtist校準(zhǔn)及估算（PACE）是一項可提供與門級設(shè)計交付功耗值一致精確的RTL功耗值的開創(chuàng)性技術(shù)，同時可確保快速的迭代時間，以便于進(jìn)行數(shù)百萬等效門電路規(guī)模的RTL功耗分析。高性能引擎以及精簡的使用流程便于您在幾分鐘內(nèi)估算RTL功耗值，而不需要花上數(shù)小時研究門級網(wǎng)表并獲取相應(yīng)的功耗數(shù)據(jù)。
PACE在物理設(shè)計及RTL設(shè)計流程之間創(chuàng)建反饋環(huán)路，以確保RTL功耗估算的精確度及一致性。此技術(shù)可以提取RTL階段缺失的、與功耗相關(guān)的關(guān)鍵物理設(shè)計信息，包括時鐘樹及門控、連線電容及基本單元的分布。作為RTL設(shè)計師，您還能體驗更簡單的設(shè)置。在RTL功耗分析的過程中，PACE自動化描述物理建模并進(jìn)行相關(guān)校準(zhǔn)，您不需要手動將物理考量因素轉(zhuǎn)化為RTL約束。時鐘尤其是一個挑戰(zhàn)，其能耗占總功耗的很大一部分，不過在RTL源代碼中，時鐘主要被描述成一個理想的節(jié)點。PACE結(jié)合一個先進(jìn)的RTL時鐘樹合成引擎（適用于網(wǎng)格拓?fù)湟约皹湫屯負(fù)洌⑶医?jīng)證明，對于先進(jìn)FinFET技術(shù)，RTL時鐘功耗可保持在設(shè)計交付功耗的10%至15%的誤差變化范圍內(nèi)。
? 全面的功耗分析及探索
上市時間以及硅設(shè)計能否一舉成功對于設(shè)計團(tuán)隊是至關(guān)重要的。在實現(xiàn)這些目標(biāo)方面，及早意識到功耗及功耗設(shè)計漏洞起到重要的作用PowerArtist的RTL功耗分析具有全面的功能，可通過基于平均功耗以及時變功耗分析實現(xiàn)早期功耗預(yù)算及效率。快速的運行時間便于有效評估多個微結(jié)構(gòu)的功耗效率。與綜合之后的門海視圖不同的是，PowerArtist的RTL推理引擎保留了功能性視圖，便于輕松識別和排查功耗熱點。
功耗是按類別、層級、電源域以及時鐘域分類的。無論您要識別設(shè)計中的功耗熱點，還是使用時鐘門控或功率門控技術(shù)探索功耗，亦或是了解峰值與平均功率，PowerArtist都能幫助您執(zhí)行快速的假設(shè)分析以及根本原因排查分析，并通過基于GUI以及TCL的接口生成詳細(xì)的文本報告。
PowerArtist圖形界面是同類型中先進(jìn)的功耗問題診斷平臺。使用 PowerArtist功能全面的GUI環(huán)境，RTL設(shè)計師可以探測功耗并確定有待改進(jìn)的方面。設(shè)計師可以研究哪個（哪些）設(shè)計部分的功耗高于預(yù)期、確定可能的解決方案并著手修復(fù)。借助于帶功耗反標(biāo)的電路視圖以及強(qiáng)大的分類之間的交互式交叉檢查、搜索以及過濾功能，設(shè)計師可以向下延伸至任何層級/子模塊以及有關(guān)動態(tài)功耗與漏電功耗的查詢、降耗機(jī)會（按節(jié)省及其他指標(biāo)排序）。
PowerArtist的TCL功耗數(shù)據(jù)庫接口讓您實現(xiàn)自動化的自定義查詢，不限于標(biāo)準(zhǔn)的工具報告。您可以跨設(shè)計類別以及設(shè)計層級快速檢查設(shè)計，并查看詳細(xì)的功耗以及活動屬性及指標(biāo)。無論您要設(shè)計圖形處理器、擔(dān)心易出故障的邏輯，還是要設(shè)計一款移動應(yīng)用程序試圖優(yōu)化時鐘門控每次觸發(fā)時的效率，亦或是設(shè)計一款可優(yōu)化存儲訪問的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，綜合性TCL接口都可以讓滿足您的需求并以有效的方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。
? 分析驅(qū)動型自動化降耗
功耗是在半導(dǎo)體設(shè)計中需要優(yōu)先考慮的因素。無論是手持式電池供電型設(shè)備、高性能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序還是符合成本效益的IoT設(shè)計，功耗效率都是一個關(guān)鍵要求。及早做出設(shè)計決定有助降低功耗，但這些決定必須基于可預(yù)測的分析。PowerArtist基于對物理效應(yīng)下邏輯及翻轉(zhuǎn)率變化的充分評估來識別降耗機(jī)會。這種分析驅(qū)動型降耗方法使您能夠關(guān)注正確的低功耗RTL改變，并確保節(jié)省的功耗不會在實現(xiàn)階段損耗掉。下圖強(qiáng)調(diào)了盲目自動化時易犯的錯誤。下圖標(biāo)繪了一個應(yīng)用處理器RTL修改對應(yīng)的累計節(jié)省的功耗。在已識別的大約300個RTL降耗機(jī)會中，把握住前五個，就足以實現(xiàn)已識別的一半的功耗節(jié)省。
PowerArtist的降耗引擎可識別設(shè)計中的浪費翻轉(zhuǎn)，包括時鐘、存儲器以及數(shù)據(jù)通路邏輯。使用作為下游工具的補(bǔ)充的組合及時序技術(shù)，PowerArtist自動識別可在模塊級以及葉節(jié)點實例級降低功耗的多種RTL變化。PowerArtist識別錯失的模塊級時鐘門控以及數(shù)據(jù)門控機(jī)會，以實現(xiàn)大量的功耗節(jié)省。它還可以增加并改進(jìn)時序元件的時鐘門控，從而確保存儲器的訪問無冗余并且在不需要時關(guān)閉其邏輯錐。與存在時序?qū)蛹墧?shù)量限制的方法不同的是，PowerArtist的高性能體系結(jié)構(gòu)可以分析時序?qū)蛹壍慕岛那闆r且運行速度快，便于進(jìn)行快速的假設(shè)分析。根據(jù)您的偏好，PowerArtist可以自動生成優(yōu)化功耗的RTL以及綜合約束，或者指導(dǎo)您完成手動RTL重寫流程。
圖表顯示了如何只通過幾處RTL改變實現(xiàn)50%的功耗節(jié)省。
PowerArtist的降耗方法以交互式圖形及Tcl功耗檢測框架超越自動化降耗技術(shù)，經(jīng)證實在識別巨大的功耗節(jié)省機(jī)會方面十分高效。
? 針對實際應(yīng)用的功耗分析及預(yù)算管理
傳統(tǒng)的功耗方法基于幾微秒的仿真設(shè)計波形，可能會使設(shè)計面臨風(fēng)險，在實際激勵下可能暴露功耗問題。但在操作系統(tǒng)啟動以及高清視頻幀等場景下計算功耗波形不切實際，而且使用標(biāo)準(zhǔn)的功耗分析工具以及方法，可能需要幾天甚至幾周時間。翻轉(zhuǎn)率分析通常是更快速的替代方案，但這種分析方法可能錯過功耗關(guān)鍵事件。翻轉(zhuǎn)并不總能直接轉(zhuǎn)化為功耗，尤其是在設(shè)計實現(xiàn)細(xì)節(jié)缺失的RTL級別。PowerArtist具有豐富的功能，可以有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
PowerArtist獨特的功耗分析功能使其能夠分析系統(tǒng)級矢量，包括幾十到幾百毫秒的設(shè)計活動。PowerArtist功耗分析器專為長矢量而設(shè)計，運行速度比逐周期計算功耗波形的傳統(tǒng)方法要快好幾個數(shù)量級。功耗分析充分模擬邏輯綜合的效應(yīng)（比如時鐘門控）以及物理效應(yīng)（比如時鐘樹建模），以便精確地得到門級網(wǎng)表的功耗情況。
此外，PowerArtist通過高效的流程處理硬件仿真器的翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。通過著重關(guān)注功耗關(guān)鍵信號，生成以及讀入FSDB/VCD文件所需的時間大大縮短，且精確度損失降到較低。PowerArtist PAVES通過直接讀入硬件仿真器產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)信息來做功率分析，使迭代時間加快一個數(shù)量級，消除了因大量的FSDB/VCD翻轉(zhuǎn)文件造成的低效現(xiàn)象。
針對系統(tǒng)級應(yīng)用矢量的功耗分析具有若干好處。通過RTL功耗分析識別的功耗關(guān)鍵模塊有助于及早做出具有影響力的設(shè)計決定，進(jìn)而降低功耗。功耗分析還有助于識別功耗關(guān)鍵以及熱關(guān)鍵窗口，適用于ANSYS RedHawk中的早期電源完整性分析。在芯片之外，長時間的RTL功耗分析還有助于芯片功耗模型生成，適用于早期的芯片封裝系統(tǒng)的電源以及熱完整性分析。
? 基于功耗效率指標(biāo)的回歸
無論是需要延長電池壽命、減少散熱成本還是降低芯片成本，功耗都是芯片設(shè)計中的一個重要要求。因此，務(wù)必識別并消除芯片及系統(tǒng)設(shè)計的每個階段的功耗漏洞。越早識別，成本越低，上市時間越快。功耗回歸可以十分有效地防止設(shè)計中過度的功耗增加，類似于功能性回歸。
PowerArtist提供一個完整的回歸框架，包含明確定義的功耗指標(biāo)以及數(shù)據(jù)挖掘工具，以跟蹤功耗效率并幫助您找到功耗漏洞。一個常用的功耗效率指標(biāo)是時鐘門控效率（CGE）。除了可在邏輯綜合之前預(yù)測門控位數(shù)的靜態(tài)CGE，PowerArtist還可以計算周期精確的動態(tài)CGE，作為一種度量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時未門控的時鐘周期的指標(biāo)。PowerArtist存儲器功耗效率指標(biāo)跟蹤冗余的讀寫訪問。功耗效率指標(biāo)可在不同的抽象級別使用（根據(jù)與該指標(biāo)的相關(guān)性）。比如，CGE 指標(biāo)可按觸發(fā)器、按時鐘門控、按層級以及按時鐘域報告。回歸框架的一個重要要求是功耗數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫允許自定義查詢，以便搜索及比較不同設(shè)計版本的數(shù)據(jù)。PowerArtist的TCL功耗數(shù)據(jù)庫接口具有直觀、內(nèi)容廣泛的特點。PowerArtist 工具比較并確定不同設(shè)計版本的功耗指標(biāo)，并且可用于加快自定義功耗回歸的部署。
當(dāng)RTL處于開發(fā)或者新的功能ECO階段中，功耗回歸方法已經(jīng)得到廣泛采用。在功耗方面激烈競爭的設(shè)計團(tuán)隊通常使用PowerArtist運行模塊以及芯片級回歸，以實現(xiàn)功耗目標(biāo)。
? RTL驅(qū)動的電源網(wǎng)絡(luò)完整性
節(jié)能設(shè)計不僅僅關(guān)注于降低功耗——還要確保芯片、封裝及系統(tǒng)的電源及熱完整性。先進(jìn)制程技術(shù)的噪聲容限迅速下降，電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）在配送所有場景下所需的電源方面面臨著更多的挑戰(zhàn)。低功耗技術(shù)導(dǎo)致在低功耗及高功耗狀態(tài)之間切換時di/dt的波動更大，使得電源噪聲問題進(jìn)一步加劇。在PDN設(shè)計階段，必須闡明此類功耗關(guān)鍵活動場景。但是，門級仿真在后期階段才可用，而且覆蓋范圍有限。此外，物理工具并非設(shè)計用于分析長矢量。
PowerArtist能夠以遠(yuǎn)快于物理分析工具的速度掃描數(shù)百萬個RTL翻轉(zhuǎn)周期，進(jìn)而自動關(guān)注于功耗關(guān)鍵場景以便進(jìn)行后續(xù)的電源分配網(wǎng)絡(luò)分析。它可以生成一個關(guān)注大功耗和di/dt場景以及其他功耗數(shù)據(jù)的RTL功耗模型（RPM）。ANSYS RedHawk隨后可直接讀取RPM，以便在針對一些模塊物理設(shè)計數(shù)據(jù)未準(zhǔn)備好時完成早期的PDN原型制樣，同時增加設(shè)計交付覆蓋率。借助RPM，ANSYS RedHawk還可以生成早期芯片功耗模型（CPM），從而實現(xiàn)早期芯片封裝協(xié)同設(shè)計。
RPM通過系統(tǒng)公司和ASIC供應(yīng)商之間，甚至同公司內(nèi)兩個團(tuán)隊之間的基于模型的交換，推動實現(xiàn)無縫的RTL物理設(shè)計流程。
