功耗來源

一個單元的功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。

靜態(tài)功耗

這是在沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)活動時消耗的功率。對于CMOS單元，這部分功耗主要來自于柵極漏電和亞閾值電流。這種靜態(tài)功耗可能因輸入引腳中的電壓而異。

由于一個標(biāo)準(zhǔn)單元的 leakage power 和其面積成正比，因此在實(shí)際后端設(shè)計的各個階段，尤其是低功耗設(shè)計中，一般會重點(diǎn)關(guān)注芯片中邏輯門的面積變化并以此快速推斷設(shè)計的 leakage 功耗變化。

動態(tài)功耗

動態(tài)功耗是電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)時消耗的功耗。對于靜態(tài)CMOS電路，動態(tài)功耗通常占總功耗的絕大部分。
這種功耗可進(jìn)一步分為兩類：

• 翻轉(zhuǎn)/開關(guān)功耗（Switching Power）：這是由于單元驅(qū)動的外部電容性負(fù)載的充電和放電而消耗的能量/功率。
• 內(nèi)部功耗（Internal Power）：由于開關(guān)過程中發(fā)生的短路情況以及單元本身內(nèi)部電容的充電/放電，內(nèi)部能量以脈沖形式耗散。

一個兩輸入NAND的動態(tài)功耗波形如下：

在 t=12 ns 時，在 Vip1處發(fā)生下降沿。這不會在輸出端發(fā)生完整的邏輯轉(zhuǎn)換，但會帶來一個小毛刺（圖中不嚴(yán)格按照比例）。這種輸入轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致Pxhnd2_1的小幅增加，這部分功耗不包括在翻轉(zhuǎn)功耗里，有時會包含在內(nèi)部功耗中，一般可以忽略。

在實(shí)際后端設(shè)計時，動態(tài)功耗由于和芯片的功能息息相關(guān)，因此在計算的時候會引入翻轉(zhuǎn)率（toggle rate）的概念。翻轉(zhuǎn)率是衡量單位時間內(nèi) device 上信號翻轉(zhuǎn)時間所占的比率。在實(shí)際計算動態(tài)功耗的時候，又會分成兩個部分。一部分為庫文件查表得到的 Internal Power，下面會介紹到；另一部分為互連線（net）上的動態(tài)功耗，這部分的計算通過將所有 net 上每個翻轉(zhuǎn)周期的功耗乘以其翻轉(zhuǎn)率并相加得到。翻轉(zhuǎn)率通過某種固定格式的文件傳入EDA工具，比較常用的格式有 SAIF（Switching Activity Interchange Format）、VCD（Value Change Dump）以及 FSDB（Fast Signal Database）文件。

Synopsys功耗模型

在表征用于功耗分析工具的單元功耗時，需要測量以下量：

每個狀態(tài)的漏電功率，以及（如果需要更簡單的模型）輸出為高/低的平均值，甚至所有可能狀態(tài)的平均值，假設(shè)每個狀態(tài)的一些概率（除非已知其他情況，否則假設(shè)所有可能狀態(tài)的可能性相同）。

單元每個引腳上升或下降邏輯轉(zhuǎn)換消耗的內(nèi)部能量。這取決于一些其他因素，例如輸入波形的轉(zhuǎn)換延遲（transition delay）和單元輸出引腳驅(qū)動的負(fù)載電容。對于輸出管腳，如果一個輸出管腳處的邏輯值可能因幾個不同輸入管腳處的轉(zhuǎn)換而改變，則必須對每個輸入管腳處的輸出轉(zhuǎn)換進(jìn)行單獨(dú)測量，如果需要更簡單的 Synopsys模型，還需要獲得平均值。
由于內(nèi)部功率和負(fù)載電容/輸入轉(zhuǎn)換延遲之間的關(guān)系不一定由方程很好地描述，因此模型只是以查找表（lookup table）的形式存在。

lib文件中的功耗模板：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的数字电路功耗分析基础的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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