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1 概述
ANSYS PowerArtist是面向功耗設計的綜合性平臺，部分低功耗半導體設計公司在早期的寄存器傳輸級（RTL）功耗分析及優化過程中會選擇使用該平臺。PowerArtist既方便您執行物理感知RTL功耗預算、交互調試、分析驅動型降耗、功耗回歸以及得到實時應用的功耗波形，又有助于實現一種可無縫RTL到物理設計的檢查電源完整性的方法。
功耗效率是半導體設計中的首要考慮因素。從事于各類應用（從手機到CPU 到網絡及汽車集成電路）的RTL設計師會在開發周期的早期使用ANSYS PowerArtist分析和降低功耗，以產生較好的效果。與傳統的門級方法相比，PowerArtist加快數百萬實例設計的迭代時間，并且有助于及早做出功耗相關的設計決定。為確保這些在早期所做的設計決定的可靠性，PACE（PowerArtist校準及估算）技術通過以獨特的方式模擬物理實現（包括時鐘樹、網狀時鐘網絡）、連線電容以毛刺，提供精確的RTL功耗值并識別降低功耗的機會。
PowerArtist自動識別時鐘網絡、數據路徑以及存儲器體系結構中的模塊級、實例級的時序電路及組合電路的降耗機會，以實現較大程度的功耗目標。借助強大的交互圖形化調試環境，RTL設計師（尤其是對功耗不熟悉的設計師）可以輕松有效地排查功耗熱點。借助PowerArtist的時鐘門控、功耗效率指標以及TCL自定義查詢接口，設計師可以通過回歸方法密切跟蹤功耗情況。
PowerArtist具有業界高效的功耗分析能力，可以在數小時內分析包含幾十毫秒的實時應用程序的活動，比傳統方法快好幾個數量級。此外，PowerArtist與硬件仿真器的活動數據流以及關鍵信號接口還能將仿真時間縮短一個數量級。通過快速從數百萬個RTL活動周期找到功耗關鍵周期，PowerArtist可以生成獨特的RTL功耗模型（可與ANSYS RedHawk連接）并實現一種無縫的RTL到物理設計的電源分析方法（適用于早期的電源分配網絡的規劃及設計交付）。
2 功能特點
? RPowerArtist關鍵功能
· 物理感知 RTL功率預算
· 綜合功率分析和探索
· 分析驅動型自動化降耗
· 針對實際應用的功耗分析及預算管理
· 實際應用的功率分析
· 基于功耗效率指標的回歸
· RTL驅動的電源完整性
· 功率范圍矢量評分分析
? 物理感知型RTL功耗預算
早期的功耗分析有助于您做出具有影響力的設計決定。但制程節點越先進，物理設計考量對功耗的影響越大。這可能導致設計流程中RTL與后期門級網表階段之間的功耗估算出現更大的變化。由于差距不斷拉大，所以無法保證降低功耗的RTL改變可以在物理實現的過程中貫徹實施。
PowerArtist模擬主要的RTL級物理設計考量，包括時鐘、毛刺以及連線電容。PowerArtist校準及估算（PACE）是一項可提供與門級設計交付功耗值一致精確的RTL功耗值的開創性技術，同時可確保快速的迭代時間，以便于進行數百萬等效門電路規模的RTL功耗分析。高性能引擎以及精簡的使用流程便于您在幾分鐘內估算RTL功耗值，而不需要花上數小時研究門級網表并獲取相應的功耗數據。
PACE在物理設計及RTL設計流程之間創建反饋環路，以確保RTL功耗估算的精確度及一致性。此技術可以提取RTL階段缺失的、與功耗相關的關鍵物理設計信息，包括時鐘樹及門控、連線電容及基本單元的分布。作為RTL設計師，您還能體驗更簡單的設置。在RTL功耗分析的過程中，PACE自動化描述物理建模并進行相關校準，您不需要手動將物理考量因素轉化為RTL約束。時鐘尤其是一個挑戰，其能耗占總功耗的很大一部分，不過在RTL源代碼中，時鐘主要被描述成一個理想的節點。PACE結合一個先進的RTL時鐘樹合成引擎（適用于網格拓撲以及樹型拓撲），并且經證明，對于先進FinFET技術，RTL時鐘功耗可保持在設計交付功耗的10%至15%的誤差變化范圍內。
? 全面的功耗分析及探索
上市時間以及硅設計能否一舉成功對于設計團隊是至關重要的。在實現這些目標方面，及早意識到功耗及功耗設計漏洞起到重要的作用PowerArtist的RTL功耗分析具有全面的功能，可通過基于平均功耗以及時變功耗分析實現早期功耗預算及效率。快速的運行時間便于有效評估多個微結構的功耗效率。與綜合之后的門海視圖不同的是，PowerArtist的RTL推理引擎保留了功能性視圖，便于輕松識別和排查功耗熱點。
功耗是按類別、層級、電源域以及時鐘域分類的。無論您要識別設計中的功耗熱點，還是使用時鐘門控或功率門控技術探索功耗，亦或是了解峰值與平均功率，PowerArtist都能幫助您執行快速的假設分析以及根本原因排查分析，并通過基于GUI以及TCL的接口生成詳細的文本報告。
PowerArtist圖形界面是同類型中先進的功耗問題診斷平臺。使用 PowerArtist功能全面的GUI環境，RTL設計師可以探測功耗并確定有待改進的方面。設計師可以研究哪個（哪些）設計部分的功耗高于預期、確定可能的解決方案并著手修復。借助于帶功耗反標的電路視圖以及強大的分類之間的交互式交叉檢查、搜索以及過濾功能，設計師可以向下延伸至任何層級/子模塊以及有關動態功耗與漏電功耗的查詢、降耗機會（按節省及其他指標排序）。
PowerArtist的TCL功耗數據庫接口讓您實現自動化的自定義查詢，不限于標準的工具報告。您可以跨設計類別以及設計層級快速檢查設計，并查看詳細的功耗以及活動屬性及指標。無論您要設計圖形處理器、擔心易出故障的邏輯，還是要設計一款移動應用程序試圖優化時鐘門控每次觸發時的效率，亦或是設計一款可優化存儲訪問的網絡應用程序，綜合性TCL接口都可以讓滿足您的需求并以有效的方式呈現數據。
? 分析驅動型自動化降耗
功耗是在半導體設計中需要優先考慮的因素。無論是手持式電池供電型設備、高性能網絡應用程序還是符合成本效益的IoT設計，功耗效率都是一個關鍵要求。及早做出設計決定有助降低功耗，但這些決定必須基于可預測的分析。PowerArtist基于對物理效應下邏輯及翻轉率變化的充分評估來識別降耗機會。這種分析驅動型降耗方法使您能夠關注正確的低功耗RTL改變，并確保節省的功耗不會在實現階段損耗掉。下圖強調了盲目自動化時易犯的錯誤。下圖標繪了一個應用處理器RTL修改對應的累計節省的功耗。在已識別的大約300個RTL降耗機會中，把握住前五個，就足以實現已識別的一半的功耗節省。
PowerArtist的降耗引擎可識別設計中的浪費翻轉，包括時鐘、存儲器以及數據通路邏輯。使用作為下游工具的補充的組合及時序技術，PowerArtist自動識別可在模塊級以及葉節點實例級降低功耗的多種RTL變化。PowerArtist識別錯失的模塊級時鐘門控以及數據門控機會，以實現大量的功耗節省。它還可以增加并改進時序元件的時鐘門控，從而確保存儲器的訪問無冗余并且在不需要時關閉其邏輯錐。與存在時序層級數量限制的方法不同的是，PowerArtist的高性能體系結構可以分析時序層級的降耗情況且運行速度快，便于進行快速的假設分析。根據您的偏好，PowerArtist可以自動生成優化功耗的RTL以及綜合約束，或者指導您完成手動RTL重寫流程。
圖表顯示了如何只通過幾處RTL改變實現50%的功耗節省。
PowerArtist的降耗方法以交互式圖形及Tcl功耗檢測框架超越自動化降耗技術，經證實在識別巨大的功耗節省機會方面十分高效。
? 針對實際應用的功耗分析及預算管理
傳統的功耗方法基于幾微秒的仿真設計波形，可能會使設計面臨風險，在實際激勵下可能暴露功耗問題。但在操作系統啟動以及高清視頻幀等場景下計算功耗波形不切實際，而且使用標準的功耗分析工具以及方法，可能需要幾天甚至幾周時間。翻轉率分析通常是更快速的替代方案，但這種分析方法可能錯過功耗關鍵事件。翻轉并不總能直接轉化為功耗，尤其是在設計實現細節缺失的RTL級別。PowerArtist具有豐富的功能，可以有效應對這些挑戰。
PowerArtist獨特的功耗分析功能使其能夠分析系統級矢量，包括幾十到幾百毫秒的設計活動。PowerArtist功耗分析器專為長矢量而設計，運行速度比逐周期計算功耗波形的傳統方法要快好幾個數量級。功耗分析充分模擬邏輯綜合的效應（比如時鐘門控）以及物理效應（比如時鐘樹建模），以便精確地得到門級網表的功耗情況。
此外，PowerArtist通過高效的流程處理硬件仿真器的翻轉數據。通過著重關注功耗關鍵信號，生成以及讀入FSDB/VCD文件所需的時間大大縮短，且精確度損失降到較低。PowerArtist PAVES通過直接讀入硬件仿真器產生的翻轉信息來做功率分析，使迭代時間加快一個數量級，消除了因大量的FSDB/VCD翻轉文件造成的低效現象。
針對系統級應用矢量的功耗分析具有若干好處。通過RTL功耗分析識別的功耗關鍵模塊有助于及早做出具有影響力的設計決定，進而降低功耗。功耗分析還有助于識別功耗關鍵以及熱關鍵窗口，適用于ANSYS RedHawk中的早期電源完整性分析。在芯片之外，長時間的RTL功耗分析還有助于芯片功耗模型生成，適用于早期的芯片封裝系統的電源以及熱完整性分析。
? 基于功耗效率指標的回歸
無論是需要延長電池壽命、減少散熱成本還是降低芯片成本，功耗都是芯片設計中的一個重要要求。因此，務必識別并消除芯片及系統設計的每個階段的功耗漏洞。越早識別，成本越低，上市時間越快。功耗回歸可以十分有效地防止設計中過度的功耗增加，類似于功能性回歸。
PowerArtist提供一個完整的回歸框架，包含明確定義的功耗指標以及數據挖掘工具，以跟蹤功耗效率并幫助您找到功耗漏洞。一個常用的功耗效率指標是時鐘門控效率（CGE）。除了可在邏輯綜合之前預測門控位數的靜態CGE，PowerArtist還可以計算周期精確的動態CGE，作為一種度量數據穩定時未門控的時鐘周期的指標。PowerArtist存儲器功耗效率指標跟蹤冗余的讀寫訪問。功耗效率指標可在不同的抽象級別使用（根據與該指標的相關性）。比如，CGE 指標可按觸發器、按時鐘門控、按層級以及按時鐘域報告。回歸框架的一個重要要求是功耗數據庫，該數據庫允許自定義查詢，以便搜索及比較不同設計版本的數據。PowerArtist的TCL功耗數據庫接口具有直觀、內容廣泛的特點。PowerArtist 工具比較并確定不同設計版本的功耗指標，并且可用于加快自定義功耗回歸的部署。
當RTL處于開發或者新的功能ECO階段中，功耗回歸方法已經得到廣泛采用。在功耗方面激烈競爭的設計團隊通常使用PowerArtist運行模塊以及芯片級回歸，以實現功耗目標。
? RTL驅動的電源網絡完整性
節能設計不僅僅關注于降低功耗——還要確保芯片、封裝及系統的電源及熱完整性。先進制程技術的噪聲容限迅速下降，電源分配網絡（PDN）在配送所有場景下所需的電源方面面臨著更多的挑戰。低功耗技術導致在低功耗及高功耗狀態之間切換時di/dt的波動更大，使得電源噪聲問題進一步加劇。在PDN設計階段，必須闡明此類功耗關鍵活動場景。但是，門級仿真在后期階段才可用，而且覆蓋范圍有限。此外，物理工具并非設計用于分析長矢量。
PowerArtist能夠以遠快于物理分析工具的速度掃描數百萬個RTL翻轉周期，進而自動關注于功耗關鍵場景以便進行后續的電源分配網絡分析。它可以生成一個關注大功耗和di/dt場景以及其他功耗數據的RTL功耗模型（RPM）。ANSYS RedHawk隨后可直接讀取RPM，以便在針對一些模塊物理設計數據未準備好時完成早期的PDN原型制樣，同時增加設計交付覆蓋率。借助RPM，ANSYS RedHawk還可以生成早期芯片功耗模型（CPM），從而實現早期芯片封裝協同設計。
RPM通過系統公司和ASIC供應商之間，甚至同公司內兩個團隊之間的基于模型的交換，推動實現無縫的RTL物理設計流程。
