如何通过优化RTL减少功耗

随着各种消费类设备智能化的巨大增长，这些应用正变得更加以数据为中心data-centric和计算密集型computation intensive。从IC设计的角度来看，这增强了早已经存在的power vs area trade-off的挑战。

对于功耗估算来说，架构阶段为时过早，物理设计阶段为时已晚。有一种趋势是在项目的RTL阶段分析power hot spots。与后期分析相比，基于 RTL 的功耗分析更快、更容易执行，迭代时间更短。

本文介绍了在 RTL 级别应用的一些功耗优化技术。

消费类电器（电池驱动型）的大幅增加使功耗优化成为大多数片上系统 （SoC） 的基本需求。

在VLSI行业的早期阶段，功耗分析被认为是一种后端活动。但随着芯片复杂性的增加，必须将功耗分析转移到前端阶段，以确保正确的估计和优化，仅在后端阶段进行优化就无法满足要求。

此外，动态功耗计算很大程度上取决于驱动到 SoC 的输入激励;因此，使用功能验证向量输入进行分析似乎是必须的。因此，业界开始在 RTL 阶段进行功耗分析。

在ASIC设计的不同阶段，都有功耗优化的余地。

系统划分为电压域是在架构阶段完成的，即使在单个电压域下也能进行优化。当处理器处于休眠模式时，对电路进行Power gating（唤醒逻辑除外）可减少功耗浪费。这些是用于降低功耗的一些传统方法。在多核处理器设计中，多个电压域允许根据工作负载控制每个内核的电源电压。在较高电压下工作的核以较高的频率工作，而施加较低电压的核可以使用较低的频率。

内存组织和模块级时钟门控则是架构级优化的另一个领域。

综合阶段的功耗降低归因于晶体管尺寸调整和cell合并，以降低开关活动。另一种方法是将高开关活动的net分配给电容较低的引脚，将低开关活动的net分配给具有较高电容的逻辑引脚。综合工具还通过将数据使能转换为时钟使能来实现时钟门控。通过具有不同阈值电压的cell映射设计中的非关键路径和关键路径来优化漏电功耗。

RTL level的功耗优化主要集中在降低register level的信号活动上。本文主要介绍 RTL 优化，它从更精细的级别实现功耗的优化控制。

II. 低功耗RTL

通常，实现 RTL 功耗优化包括对设计的以下方面进行优化。

寄存器级时钟门控减少开关活动

基于有限状态机（FSM）的上游和下游逻辑路径门控

数据路径未启用时对数据路径进行门控

减少组合电路中的冗余活动

本节介绍一些优化技术，方案和编码示例。

A. 时钟门控

在模块级别插入Clock gate是一种普遍的降低功耗的方法。但是，只有在功耗需求非常严格的情况下，才采用寄存器级的Clock gate，这是由于寄存器级的Clock gate也会增加面积成本。

为了在寄存器级别启用Clockgate，对于RTL的编写方式是有一定的要求的。另一种选择是手动配置综合工具，为选定的寄存器插入Clockgate。在复杂的设计中，第二种选择是不可行的。在这种情况下，应该利用RTL 的编写方式自动综合出Clockgate。

考虑场景，当 FIFO 满并写入时，生成 fifo wr 错误信号。示例代码1不会综合出Clock gate，而示例代码2会综合出Clock gate。

Listing 1. Code without CG Inference

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
fifo_wr_err <= fifo_full & fifo_wr_en ;

Listing 2. Code with CG Insertion

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
if (fifo_wr_en)
fifo_wr_err <= fifo_full;

1） 时钟门控效率：在不研究时钟门控效率的情况下插入Clockgate也可能会反方向增加功耗。需要根据以下因素估计时钟门控效率

总线中被时钟门控的比特数

门控占总时钟周期的百分比

数据在使能的Clockgate内toggle

仅当寄存器上的输入发生变化时才启用该门控。

Listing 3. Improved Clock Gating Efficiency

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
if (value_en)
fifo_wr_err <= nxt_fifo_wr_err;
assign nxt_fifo_wr_err = fifo_full & fifo_wr_en;
assign value_en = fifo_wr_err ˆ nxt_fifo_wr_err;

2） Clock Gating TradeOff：当我们努力实现 100% 的时钟门控效率时，系统的面积将会增加。为了避免这种情况，我们可以TradeOff。在这里，我们组合了多个寄存器的使能，允许触发器输入处会有些冗余切换。这种TradeOff的默认值的建议是 3-4，这意味着在 3-4 个寄存器之间共享一个公共enable，但代价是Clock Gating效率降低。

写入错误和读取错误生成enable可以组合使用，以降低面积成本。

Listing 5. Combined Clock Gating Example 2

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_wr_err <= 0
else
if (fifo_en)
fifo_wr_err <= nxt_fifo_wr_err;
always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0)
fifo_rd_err <= 0
else
if (fifo_en)
fifo_rd_err <= nxt_fifo_rd_err;
assign nxt_fifo_wr_err = fifo_full & fifo_wr_en;
assign nxt_fifo_rd_err = fifo_empty & fifo_rd_en;
assign fifo_en = fifo_wr_en | fifo_rd_en;

B. 基于FSM的控制

基于FSM状态生成的信号可用于对发送和接收的所有逻辑进行门控。

Listing 6. Enable Generation based on FSM

assign transmit_cg_en = ˜state_tx[IDLE];
assign receive_cg_en = ˜state_rx[IDLE];

C. 数据路径运算

数据路径运算模块（如乘法器）可能会在输入端进行不必要的toggle，即使未启用相应的计算。因此，以下技术可降低功耗。

时钟门控为数据路径操作提供输入的时序逻辑

在输入端使用锁存器或者使用使能门控输入

Listing 7. Gating Data Operator Input Toggling Method1

always @(posedge clk or negedge reset)
if (reset = 0) begin
mul_in1 <= 0
mul_in2 <= 0
end
else
if (mul_en) begin
mul_in1 <= nxt_mul_in1;
mul_in2 <= nxt_mul_in2;
end

Listing 8. Gating Data Operator Input Method 2

assign mul_in1 = data_in1 &
{DATA_WIDTH{mul_en}};
assign mul_in2 = data_in2 &
{DATA_WIDTH{mul_en}};

D. 减少组合逻辑的toggle

组合逻辑的功耗可以通过避免不必要的输入toggle来控制。这里可以考虑一个多路复用器作为示例，它是组合逻辑的常见模块。

在下图给出的示例电路中，我们有一个由两个packetizers访问的共享数据存储器。在这里，我们确实有明显的功耗浪费，因为当packetizer1 访问数据时，packetizer2 的输入将切换toggle，反之亦然。

功耗更优化的设计将把输入门控到packetizer中的 MUX。

如果我们能把内存拆分成几个部分，我们就可以进行更细粒度的gate，从而产生更有效的门控效率。但缺点是routing congestion和面积成本。

三、RTL功耗分析工具

ASIC 设计流程正在使用 RTL 分析工具在早期阶段考虑分析功耗。

RTL设计文件使用VCD、SAIF或FSDB格式的仿真激励文件，针对时钟和数据toggle产生的功耗进行精心设计和分析。

审核编辑：黄飞