隨著登納德縮放定律在2005年終結(jié)以后，大規(guī)模數(shù)字集成電路的功耗問題以及由功耗問題衍生而來的散熱問題、可靠性問題逐步凸顯出來。因此如何有效降低大規(guī)模數(shù)字集成電路的功耗成為近10年來大規(guī)模數(shù)字集成電路所面臨的最重要挑戰(zhàn)之一。

降低功耗的前提是優(yōu)化設(shè)計，而優(yōu)化設(shè)計的前提又是分析到底功耗高在何處。因此，分析功耗是一切的前提。如果學習過數(shù)字集成電路與系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)知識的同學應該知道功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分。其中，靜態(tài)功耗是由于器件中存在泄漏電流而產(chǎn)生的，只要上電以后就會一直存在。靜態(tài)功耗可以表征為：也就是電源電壓乘以泄漏電流。初看這個公式，相信大家覺得這不是常識嘛。但問題是泄漏電流又是怎么知道的？泄漏電流一般可以表示為：是不是看著有點暈了？這后面這些亂七八糟的“I ”到底是什么啊……我們就說個最簡單的IDS是是亞閾值泄露電流。

當柵極偏置電壓很低時，溝道載流子受源端勢壘的影響，泄露電流較小。當源漏端電壓升高后，源端勢壘降低，導致溝道電流受源漏端電壓影響。看到這里，是不是覺得腦袋已經(jīng)嗡嗡的了？為了避免大家看不下去而導致選手流失，就不能繼續(xù)分析下去了。我們再來看看動態(tài)功耗如何計算吧：

是不是一種看完了以后完全不想說話的感覺……如果我們依靠上面的公式來分析各種低功耗設(shè)計方案的正確性，那就太費勁了。有沒有一種簡單的分析方法能夠明確我們設(shè)計中采用的多電壓域、門控時鐘、動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)、電源門控等技術(shù)是不是有效的降低了功耗，以及是否還有進一步設(shè)計優(yōu)化的空間？這種方法就是不用去直接計算再回頭反饋，而是用“規(guī)則”和“狀態(tài)”來判斷方法是否有效。

以上提到的低功耗設(shè)計方法可以通過UPF（一組TCL命令，所以可以將其簡單視為TCL語言的一個特定領(lǐng)域的子集）語言來描述，事實上UPF可以用在IC設(shè)計流程的不同階段并能夠完整的描述功耗設(shè)計意圖。在整個低功耗設(shè)計中，電源狀態(tài)表（Power State Table， PST）可被用來描述各個供電狀態(tài)（Supply State）之間的相互關(guān)系。通過對PST的靜態(tài)分析可以有效檢查Supply State的有效性、冗余性和一致性。進而對整個電源供電網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進行檢查優(yōu)化。

而為方便更多的同學參賽，賽題設(shè)置本身降低了相關(guān)背景知識的門檻，將賽題抽象為數(shù)學算法問題，此外芯華章會提供完整的UPF parser，modeling等相關(guān)培訓，有利于參賽者能快速上手解題。

賽題要點解析

那么本題要解決的核心要點是什么呢？我們先來看一下賽題描述：

圖1一種電源網(wǎng)絡(luò)供電方案圖1展示了一種常見的電源供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案（注：僅作為參考而非實際應用電路）。低功耗設(shè)計工程師可以根據(jù)功耗設(shè)計意圖來定義電路設(shè)計中的每一個供電端口（Supply Port）上的供電狀態(tài)（Supply State）。

如為上述設(shè)計中的VP1， VP2， VSS， VP2， CPU_1/VP1_1， CPU_1/VP2_1， CPU_1/VSS， CPU_1/ALU/VP2_1_1， CPU_1/ALU/VSS， CPU_1/VP1_2， CPU_1/VP4_2， CPU_1/VSS， PMG/VP3_1， PMG/VSS等端口定義供電狀態(tài)。可以看出，這是大規(guī)模數(shù)字集成電路中的一種常見的層次化結(jié)構(gòu)。從最頂層的System到最底層的ALU，劃分出來3個層次。而在每一個層次中又并列了很多模塊。

模塊之間的電源網(wǎng)絡(luò)存在著不同的連接方法，層次間的電源網(wǎng)絡(luò)又存在包含關(guān)系。層次化的方法對于大規(guī)模數(shù)字集成電路設(shè)計具有結(jié)構(gòu)清晰、易于理解的優(yōu)勢。但是最終電源網(wǎng)絡(luò)是一個整體，這種層次化的狀態(tài)需要被“展開”為一種平鋪的狀態(tài)。如果說層次化是為了便于設(shè)計，那么消除層次化就是為了能夠準確分析。因為在真實的電路中并沒有所謂的“層次”，尤其是對于電源網(wǎng)絡(luò)而言，連接到同一電源的所有晶體管其實都是這個電源網(wǎng)絡(luò)的組成部分而已。因此，進行低功耗分析的第一步自然是將不同的PST進行合并，最終形成一張完整的“大表”。我們可以看到圖1可以用五個PST來描述其供電狀態(tài)。

表1. PST of System/PMG

表2. PST of System

表3. PST of System/CPU_1

表4. PST of System/CPU_1/ALU

表5. PST of System/CPU_2

低功耗設(shè)計分析器應根據(jù)電源供電網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，分析并合并不同設(shè)計模塊下的電源狀態(tài)表得到供電源（supply source）的PST。最終得到的一張描述整個設(shè)計的大表。如在本設(shè)計中，應根據(jù)表1-5可以得到表6。

表6. 合并后的PST

這樣從最終的表6中，我們可以看到不同模塊中的幾個關(guān)鍵性的電源網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的連接情況和供電狀態(tài)，進而可以根據(jù)連接情況和供電狀態(tài)來做低功耗分析。所以直白一點，本次賽題二的核心點就在于不同PST的解析和合并。由于芯華章已經(jīng)提供了專門的Parser（解析器），各位參賽選手可以把精力集中于“合并”這一件事情。

建議解題步驟

通過對于賽題要點的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)賽題二其實只做一件事情：如何將不同的PST按照其對應的連接關(guān)系合并為單一的、完整的PST。題目按理說難度并不大。但在賽題發(fā)布以后，仍然有不少同學認為題目有相當?shù)碾y度。

經(jīng)過分析原因后，我們認為可能主要的難點有兩個：首先，除了少部分科研課題和低功耗設(shè)計有關(guān)的同學外，大部分同學對功耗的成因、計算方法、表針方式等并不是熟悉，對于題目背景的理解有一定的難度；其次，絕大部分同學應該沒有接觸過UPF和PST，由于對其格式不熟悉而產(chǎn)生了畏難情緒。因此大家在解題之前，首先需要解決的就是對于知識背景的進一步熟悉。

尤其是需要對于UPF的用法和PST的格式有足夠的了解。這一點其實并不難做到，因為題目提供了相關(guān)的附件以及后續(xù)會對這一部分內(nèi)容重點加強培訓，幫助各位同學盡快熟悉UPF和PST。

在熟悉完UPF和PST以后各位同學應該以一個示范性的設(shè)計入手，盡快的走通從PST解析到PST合并的全部流程。在這個過程中必然涉及到部分的程序設(shè)計、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等問題，而解決這個問題的過程本身又是對于賽題的進一步熟悉和對UPF以及PST的更進一步的熟悉。再完成以上兩步以后，參賽同學可以針對題目要求逐一核對功能是否完成。

在確保功能完備的基礎(chǔ)上利用芯華章提供的測試集，不斷的加強對所編寫程序的檢驗。除了檢驗一般性的bug以外，還繼續(xù)優(yōu)化程序運行的速度以及占用的空間。最終達耗時更好、占用內(nèi)存更少的目的。以上解題思路的本質(zhì)是從簡單到復雜，從確保功能到性能優(yōu)化。符合我們開發(fā)軟件的一般規(guī)律，也符合我們工程研究的一般進程。

其它注意事項

大家在解題時還需要注意以下幾點：

不要輕易放棄，題目本身難度不大，但是前期的知識準備要花點時間；

一定要積極參加培訓，很多知識其實一點就透，但是在自己沒有相關(guān)背景的情況下學習還是有一定的挑戰(zhàn)性；

要遵循循序漸進、從易到難的解題思路，切不可貪大求全讓自己陷入到重重迷霧之中。

最后，預祝各位同學發(fā)揮出自己的水平，取得良好的成績。

責任編輯：haq