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設計CPU需要很多技巧和努力。拿到一個CPU設計并降低其50％的動態功耗需要一系列特殊的技巧，這也是CPU設計人員漫長職業生涯的要取得的技能之一。

在成功推出第一款PowerVR Rouge GPU的DOK后，Imagination和Synopsys展開第二個項目合作，旨在不犧牲任何性能領先數字的前提下顯著降低MIPS處理器的功耗。

動態功耗是SoC設計人員中一個熱門的（請原諒這個雙關語）話題

降低動態功耗是很多系統芯片設計人員目前面臨的一大挑戰。對可綜合IP來說目前有各種不同的選擇和考慮因素。同一IP可以應用在不同市場中的各式各樣應用中。最重要的是，工藝、工具和流程是額外需要考慮的挑戰。

性能、功耗和面積（PPA）的權衡取舍不同，依賴于不同的工藝，也依賴于客戶的實現要求。

Synopsys公司最近組織的一期研討會一文總結了來自于Imagination公司的Maya Mohan和NageshSakhamuru提出的一些選項，可用于Synopsys工具與流程使用28nm技術的情景下。

其主要目標是使用特定的工藝和各子庫方案與Synopsys工具和流程結合的時候，介紹給SoC設計人員能夠節省動態功耗的各個方面。作者把很多重點放動態功耗相對于泄漏功耗上，并給出了特定技術庫IP選擇時每一步驟和流程階段相應的功耗降低情況。

這個項目中CPU選擇的是MIPS interAptiv，它屬于Aptiv家族，是一個超高效的多線程處理器。在一般情況下，CPU期望以最高性能運行，同時保持動態功耗盡可能地低。然而，以峰值性能運行也可能會增加動態功耗;這就引發了需要尋找方法在持續性能與降低功耗之間取得平衡。

動態功耗有多個部件

您可以在一個CPU核心找到各種動態功耗部件，標記如下：存儲器（M-Power），指令和數據高速緩存，寄存器（R-power），葉級的時鐘門控和非門控的寄存器，時鐘網絡單元（Ck-power），時鐘門控和緩沖區以及組合單元（C-power）。

功耗部件標記: Ck:時鐘, R: 寄存器, M: 存儲器, C: 組合電路

對于每個以上四個分類，又細分為兩個子部件：內部功耗和開關功耗。每一部分都被單獨分析，并且在每次動態功耗優化時各種選項也都會被考慮。

基線版本動態功耗的內部和開關子部件分布情況

綜合在DCT/ DCG中進行，而布局布線則在ICC中執行。兩個階段都測量了功耗：DCT后期以及ICC后期。基于一致性考慮，研討會所有報告的功耗數據都取自ICC后期數據庫，通過門級仿真的開關行為獲得。參數提取由StarRC完成，Dhrystone診斷在門仿真時被使用，PT-PX用于功耗測量。

上圖顯示了MIPS interAptiv CPU的總動態功耗的各個子部件。這個基線版本被用于其它方法和實驗進行比較的對象。

通常動態功耗使用mW/ MHz測量，但對于本項目，基線版本運行的總功耗被歸一化為100，其它版本的運行功耗基于這一數字得出。

正如從上圖中所看到的，時鐘功耗只點總功耗的約16％。從這里的圖表中，我們不難看出，功耗的最大消費者是內部存儲器和寄存器，以及組合邏輯的開關功耗：

?開關功耗正比于開關電容大小和切換次數。為了提高寄存器和組合邏輯的功耗水平，在DCT中大部分優化使用了基于RTL的SAIF與自我門控技術。在ICC中各種動態功耗降低特性也在網絡研討會中進行了探討，以及運行最后階段的新CCD（并行時鐘和數據）特性。

?內部功耗正比于單元的數目、單元大小和切換次數。降低寄存器的內部功耗可通過替換為較小尺寸的單元以及降低切換次數。也可以使用更低軌道的工藝庫（例如，從12軌道轉換至9軌道）提供了相對于性能和面積降低功耗的另一種折衷。內部存儲器的功耗主要歸因于所選擇的大小或存儲器類型。Synopsys的存儲器編譯器有多種內存可供選擇。筆者選擇了一個基于RF的組合，結合了高性能以及高密度的單端口存儲器，這種組合一般用于平衡（高效的）功耗/性能需求。

非常令人激動的結果！

所有上述特性和技術的結合在一起顯著降低了功耗。下面的流程圖描述了Synopsys的綜合工具和ICC中所使用的最終工具選項：

最終流程圖

在項目結束時，總功耗降低了約48％，面積減少了46％，而代價為只降低了CPU15％的性能表現。

相對于12軌道、SRAM的基線版本所有運行版本優化動態功耗后的表現

上表顯示了所有上述實驗和相應功耗;要查看完整結果，請下載完全白皮書，下載后您會看到這個過程中每一步驟對應功耗和面積的減少。