物理设计中的能量优化

能源是一种宝贵的资源，不应该浪费。能源推动经济，维持社会。

预测显示，电子产品的能源可能很快会消耗全球能源供应的20%至33%，如中所强调的这篇博文Arm研究员格雷格·耶里克(Greg Yeric)的《2030年的设计和制造》。

能源效率是一个如此重要的全球问题，它是联合国的17个问题之一全球目标为可持续发展，世界“要做的事情清单”，以保护和支持人类和地球的繁荣。目标7除其他目标外，还包括到2030年将能源效率提高一倍的目标。

自2015年全球目标成立以来，Arm一直在实现全球目标方面发挥着非常积极的作用2030年愿景召集技术部门支持千年发展目标的倡议。在技术和产品设计的一开始，也就是设计阶段，就必须考虑到节能问题。Arm的贡献之一是提供节能的ip(知识产权)。这些IPs允许集成电路消耗更少的电量，发挥能量收集功能，或使用电池更长的时间，从而减少浪费。为了能够提供更节能的产品，集成电路开发的某些部分和相关工具需要特别关注能源。

在这篇博客文章中，我们从物理设计的角度，从思维方式和技术角度，粗略地介绍了数字设计需要改变什么，以提高能源效率。

能量-不要被误认为是力量

其中一个挑战是，多年来，电力一直被暗中用作能源的替代品。由于要达到固定或非常高的性能，我们经常听到如何开发节能设计，如何优化功率，甚至如何执行功率恢复。但最终，大部分时间都是为了生产节能的ip，而不仅仅是节能的ip。

让我们回到基础上来理解其中的细微差别:

• 权力是单位时间内做功的速率。功率的国际单位是瓦，也就是1焦耳每秒。在电学中，功率=电流x电压。
• 能源是必须传递给物体做功或加热物体的定量性质。能量的国际单位是焦耳，焦耳是一个物体在1牛顿的力下移动1米的距离所做的功所传递给物体的能量。能量=能量x时间。

例如，能量指标可以告诉我们在特定的电源状态下完成任务所需的时间，或者在电池大小的情况下设备可以运行多长时间。获得更好的整体能量意味着将功耗降到最低，或者更快地完成任务(更高的性能)，或者第三种选择也可能是在降低功耗和达到高性能之间的妥协。

能源实际上是几个细分市场的关键指标，例如物联网、移动、边缘机器学习推理，甚至基础设施等等。一个复杂的方面在于可以在IP上运行的软件内容的多样性。随着时间的推移，这些内容都有不同的能量分布，并轻微或严重地激活设计的不同部分。在现实生活中，设备的最终能耗非常依赖于使用时间和工作负载类型等因素。

在进行物理执行时，要牢记能量

显然，在IP开发的早期阶段，也就是从架构和微架构中，有更多的机会影响能源效率。但在数字集成电路的发展流程中，有很大的潜力来实现更好的能源效率，并应用不同的重点。多年来，电子设计自动化工具在PPA(功率、性能和面积)方面的优先级已经发生了渐进的变化，但仍有突破性创新的空间。

有些问题可以帮助我们理解对权力和能源的不同关注可以使我们实现什么:

• 从功率开始:在物理实现中，如果在成本函数和算法中，一切都首先由功率驱动，而不是时间驱动，会发生什么?
• 但优化功率还不够，还需要考虑能量。在能源效率方面，需要哪种工具来找到最佳答案，是在常规物理设计工具周围还是内部?

设计一个IP或芯片通常是一个迭代的过程。请记住，与尽可能专注于降低功率相比，实现高能效是一个可能导致不同解决方案的目标。Arm的Seng Oon Toh和James Myers展示了这种方法的一个实践例子。他们写了一篇技术论文亚阈值无线传感器节点的最小能量设计在2015年的SNUG会议上发表。他们的结论之一表明，以能源为中心的实施可能会导致能源的显著减少。

基本上，在物理实现中，可以遵循两个轴来不断解决能量问题:

• 分析-能够分析和测量任何阶段的功率和能量。
• 优化-使用相关开关活动和节能技术优化布局。

下面的图片显示了主要方面，这可能是能量驱动流的一部分，遵循前面引用的两个轴。

首先要选择相关的刺激(转换活动输入)或创建合成的刺激。刺激可以进行功率和能量分析，但也可以作为合成、位置和路径工具的非常重要的输入，因此可以进行相应的优化。用于优化功率的开关活动可以说是成功的最重要的关键。不同类型的ip运行不同的软件，因此设计的不同部分或多或少被利用。如今，在行业基准、真实用例和未来内容之间，为相关的切换活动输入集优化IP是非常复杂的。实现的优化可能只与切换活动输入的选择一样好。

可以进行两种不同的高级类型的功率和能量分析，这取决于它是在设计流程的早期还是晚期。直接根据硬件描述(RTL，来自高级合成或其他硬件模型的输出)估算功率和能量更快，但需要注意的是，它不能获得完全准确的绝对值。不过，它可以很好地指示趋势，也就是说，根据硬件描述代码的更改，功率和能量是上升还是下降。当然，在网列表上测量功率确实可以给数据带来更多的信心，但是由于设计需要完全或部分地完成物理实现流，因此获得数据的等待时间更长。

在任何时间点，都应该存在一个反馈循环，以根据应用于所获得的功率和能源数据(电源检查)的智能更新硬件描述或物理实现流的部分。静态检查和更复杂的动态检查(需要切换活动输入)可以被视为工程师脑力的补充，以获得额外的动力和能源效率。

功率优化应该是综合、放置和路由引擎的核心，始终允许用户在功率和性能之间进行选择。在进入物理设计世界时所做的决定往往是静态的，并且很少在之后的流程中重新审视。这就是为什么物理实现的输入是很重要的，例如:

• 标准细胞和物理记忆的选择。
• 设计约束如目标频率。
• 刺激代表转换活动。

最节能的实现可能不是在较低的电压或最高的频率。在功率和性能之间有一个正确的妥协，以得到一个能源优化的答案。这完全是关于功率剖面随时间变化的“面积”。这需要对要执行的不同PPA目标和库进行智能扫描。

最后，势能驱动的物理实现流可能是这样的:

电子设计自动化工具的关键作用

更多针对特定市场的设计将能源作为头等指标。用户应该可以选择优化最小功率或最佳能源效率。了解目前的EDA工具如何运行是一个挑战，大多数时候性能是第一位的。但这也是一个难得的创新机会，可以为全球提高整体能源效率做出更大贡献。

我们必须记住，即使在一个设计问题上节省了几毫焦，因为我们谈论的是数十亿的设备很快将无处不在。

这篇博客文章中的一些图片是从其他Arm演示文稿和同事那里重新使用的，其中包括詹姆斯·迈尔斯(James Myers)。