Under de senaste åren har effektförbrukningen fått allt större betydelse vid utveckling av asic-kretsar och system på kisel. Kombinationen av högre klockhastigheter, större funktionell integration och mindre processgeometrier har bidragit till en väsentlig ökning av effekttätheten. Härtill kommer att för varje ny processgeneration ökar effektförlusterna på grund av läckströmmar exponentiellt.

Ett stort antal olika metoder har utvecklats för att klara av olika aspekter på effektproblemet, däribland grindning av klockan (clock gating), transistorer med flera switchnivåer (multi-Vt), matning med flera spänningar (MSV, multi-supply multi-voltage), bias av substratet, DVFS (dynamisk spännings- och frekvensskalning) och PSO (power shut-off).

Men låg effekt är inte något som kan ”skruvas dit” i slutet av utvecklingsprocessen. Effekt, timing och yta är överlappande och potentiellt motstridiga mål som måste balanseras mot varandra under hela flödet. För att klara de aggressiva tidplanerna för konstruktionsarbetet är det inte längre tillräckligt att ta hänsyn till effektproblemen först under implementeringsfasen.

Library Qualification	Garanterar att de nödvändiga vyerna och databaserna finns tillgängliga för att möjliggöra framgångsrika lågeffektsflöden.
Process Selection	Definierar hur lågeffekt påverkar valet av process och vad som krävs med hänsyn till konstruktionskraven.
Infrastructure	Tillhandahåller datahantering och systeminfrastrukturer för att garantera effektiv lågeffektsimplementering.

Storleken och komplexiteten hos dagens integrerade kretsar gör det absolut nödvändigt att ta hänsyn till effekten under alla faser av konstruktionsprocessen, alltifrån fastställandet och implementeringen av chip- eller systemarkitekturen, över konstruktionen (inklusive beslut om mikroarkitekturer), hela vägen fram till implementeringen av kretsen med effektoptimerad syntes, placering och ledningsdragning (routing). För att förhindra att funktionella problem tar sin väg in i det slutliga kislet måste man på liknande vis utföra effektoptimerad verifiering under hela utvecklingsprocessen.

För att klara av lågeffektproblemen ger dagens utvecklingsmiljöer oss tillgång till ett brett sortiment av sofistikerade, effektoptimerande verktyg och metodiker. Visserligen medger dessa verktyg en hög grad av automatisering. Men ändå kan metoderna kräva avsevärda arbetsinsatser, införa risker och göra konstruktionen, implementeringen och verifieringen än mer komplex.

Multi-Threshold Voltages	Beskriver när och hur man använder denna högt automatiserade teknik effektivt.
Low-Power Clocking	Eftersom klockningen har mycket stor betydelse för effektförbrukningen är hanteringen av klockan en nyckelfaktor i lågeffektsimplementeringar.
Multi-Supply Multi-Voltage	Definierar fördelarna och fallgroparna med MSV (multi-supply multi-voltage) och vad som krävs för att implementera detta i en konstruktion.
Power Shut-Off	PSO (power shut-off) ger stora effektfördelar, men tekniken måste användas på rätt sätt eftersom den påverkar alla delar av konstruktionsprocessen.
Dynamic Voltage and Frequency Scaling	DVFS-tekniker (dynamic voltage and frequency scaling) kan också ge avsevärda effektfördelar, men att garantera att återkopplingen mellan prestanda, spänning och frekvens fungerar korrekt kan vara en utmaning.

För att garantera att teknikerna för låg effekt införs utan problem behöver vi en metod som ger alla i teamet – oavsett erfarenhet av lågeffekt – möjlighet att utnyttja de möjligheter som står till deras förfogande, utan att de behöver bli lågeffektsexperter eller att de måste lära sig av sina misstag.

Denna artikel beskriver ett koncept med ett ”lågeffekts-kit” som ger team med eller utan lågeffektskunnande möjlighet att införa avancerade lågeffektstekniker effektivt och ändamålsenligt. Ett sådant kit innehåller expertkunnande och bästa metoder som gör det möjligt att eliminera vanliga problem, införa flöden som garanterar att verktyg och teknologier används för att ge bästa resultat samt etablera processer som garanterar förutsägbarhet.

Common Power Format (CPF) är ett format som står under övervakning av konsortiet Silicon Integrated Initiative’s (Si2) Low Power Coalition. CPF tillhandahåller en mekanism för att fånga upp arkitekternas och konstruktörernas avsikter angående effekthantering och möjliggör automatisering av avancerade konstruktionsmetoder för låg effekt. Dessutom ger CPF möjlighet att utforska ”what-if”-ändringar utan att man behöver göra några RTL-ändringar.

Low-Power ECO Methodology	Spårar alla data- och flödesberoenden för att garantera att ändringar i sena skeden inte orsakar problem.
Planning, Metrics and Analysis	Predikterbarhet garanteras genom noggranna mätetal och planering, och hänsyn till detta måste tas under hela konstruktionsprocessen.

Fördelarna med att använda CPF i ett lågeffekts-kit är att man får möjlighet att genomföra konstruktionen, verifieringen och implementeringen med utgångspunkt från en enda ”gyllene” beskrivning av effektmålen. Tack vare en hög grad av automatisering inom verktygen kring denna centrala beskrivning elimineras många av de riskfulla uppgifter som typiskt är förenade med lågeffektskonstruktion.

En representativ konstruktion. Ett antal olika överväganden måste göras när man skapar ett lågeffekts-kit. Först och främst är det nödvändigt att skapa en ”representativ” konstruktion som innefattar alla aspekter på låg effekt som förekommer i de konstruktioner man kommer att arbeta med. Detta gör att alla olika aspekter på kitet kan utprovas och demonstreras. De som vill införa den nya tekniken får också tillgång till en sandlåda där de kan experimentera och lära sig. Dessutom kan denna konstruktion fungera som en piprensare när man byter verktygs- eller kiselleverantör.

Architecture Tradeoff	Jämför olika tekniker och hur dessa påverkar den totala effekten inom din klass av konstruktioner.
RTL Design	Täcker in vad som kan göras i RTL för att påverka effektförbrukningen, liksom hur de olika teknikerna är kodade.
CPF Creation	Representation av intentionerna avseende effektbesparing med hjälp av Common Power Format, inklusive mallar för dina konstruktionsmodeller.
Low Power Synthesis	Hur syntesen påverkar effektprocessen, och hur man implementerar den mest effektiva syntesen för lågeffektskonstruktion.
Power-Aware DFT	Effekten påverkar både normala arbetssätt och test, vilket man ständigt måste tänka på.

Låt oss som exempel se på en trådlös accessenhet baserad på IEEE 802.11, som innehåller ett antal olika gränssnitt och periferifunktioner. I kärnan av denna enhet finns en systemkrets som består av ett antal funktionsblock. Typiskt finns i en sådan konstruktion ett antal hårda makron, till exempel en mikroprocessorkärna. Härtill kommer ett antal första- och tredjeparts IP (både i Verilog och VHDL) - av vilka många använder tekniker för effektbesparing.

Förutom all ren digital logik finns det sannolikt även ett antal blandat analog-digitala block som måste passa ihop med vår konstruktionsmiljö, exempelvis en faslåst slinga (PLL, phase-locked loop) i klockgeneratorn samt eventuella PHY-gränssnitt (physical-layer).

Modularisering underlättar införandet. För underlätta förståelsen bör kitet delas upp i ett antal huvudkategorier, som konstruktionsmiljö, lågeffektstekniker, framtagande av konstruktionen, fysisk implementering, verifiering och projektledning. Var och en av dessa kategorier bör innehålla ett antal diskreta moduler och flöden. Konstruktions- och verifieringsteamen behöver då bara använda de moduler som är tillämpliga för deras egen specifika konstruktion.

Där det är tillämpligt bör varje modul innehålla bakgrundsinformation som hänför sig till den aktuella aspekten på konstruktionen, ”best practices”, checklistor, rekommenderade flöden, skript som kan demonstrera flödena, undervisningsmaterial samt dokumentation.
 
Konstruktionsmiljö. Denna kategori skall täcka in allt som krävs för att bygga upp en komplett miljö för lågeffektskonstruktion till ett nytt projekt. Här ingår infrastruktur, verktyg, IP-komponenter samt detaljerade checklistor och beroenden (depencencies). Se tabell intill.

Prototyping and Parasitic Correlation	Det kan krävas många iterationer av placeringsoptimering (floorplan optimization) innan man uppfyller timingkraven (timing closure). En noggrann parasitisk skalning mellan detaljerad extraktion och prototypextraktion snabbar upp denna process.
Power Planning	Det är viktigt att man väljer rätt metod för effektdistribution (nät eller ring) till lågeffekts-block och övriga block.
Low-Power Floorplanning	Bestämmer lämplig placering (floorplanning) av känsliga block. Regler kan exempelvis kräva att block med samma spänning placeras helt nära eller i närheten av I/O-paddar.
Timing and Signal Integrity Closure	Även om effektmålen anses vara de mest viktiga måste specifikationerna för timing och signalintegritet uppfyllas för att konstruktionen skall fungera korrekt.

Tekniker för lågeffekt. Denna kategori skall täcka in de olika lågeffektstekniker som kan komma att användas i en konstruktion och som stöds av konstruktionsmiljön. Kompromissanalys skall också utföras för att bestämma vilka tekniker som är lämpligast att använda. Se tabell intill.

Projektledning (management). Denna kategori skall täcka in de olika aspekterna på hantering av low-power-konstruktioner, från planering av en verifieringsstrategi, definition av mät- och estimeringstekniker till implementering av en ECO-metodik (engineering change order) för låg effekt. Se tabell intill..

Framtagande av konstruktionen. Denna kategori skall täcka in alla aspekter på flödet för att skapa konstruktioner. Här ingår arkitektoniska kompromisser mellan effekt, timing och yta, tillsammans med bästa metoder för att nå framgång med hjälp av MSV- och/eller PSO-tekniker. Se tabell intill.

De flöden som täcker dessa moduler skall använda ”gyllene” RTL- och CPF-filer tillsammans med samtidig optimering av alla randvillkor (constraints) – timing, yta och effekt – för att skapa en optimerad nätlista som innehåller alla relevanta lågeffektstrukturer, inklusive nivåskiftare, isolationsceller och retentionslogik

Fysisk implementering. Denna kategori skall täcka in alla aspekter på fysisk konstruktion, från nätlista till godkännande (signoff) av konstruktionen. Liksom vid framtagandet av konstruktionen skall man använda en ”gyllene” CPF-fil för att kommunicera effektmålen genom hela flödet. Se tabell intill.

Low-Power Functional Verification	Effektmålen kan direkt påverka de funktionella målen, så funktionaliteten måste verifieras med hänsyn tagen till slutliga effektimplementeringen med hjälp av tekniker som simulering och påståendebaserad (assertion based) verifiering.
Low-Power Formal Implementation Verification	Definierar en process som garanterar att den valda lågeffektsimplemeneringen förblir korrekt och konsekvent genom alla konstruktionstransformeringar.
Power-Grid Signoff	Före godkännandet (signoff), verifiera att matningsnätets statiska och dynamiska egenskaper uppfyller alla krav.

Verifiering. Betydelsen av verifiering i lågeffektflöden kan bäst illustreras av att man ser på bara några av de problem som uppstår när man använder PSO-tekniken (power shut-off). På funktionell nivå måste vi se till att logiken som stänger av spänningarna inte orsakar att ogiltiga data sprider sig, att eventuella nödvändiga tillstånd bibehålles under avstängningen och att återinkopplingen av spänningarna sker i korrekt ordning. Under implementeringen måste vi verifiera att nödvändiga isolationsceller och andra effektstrukturer finns på plats. Vid fastställandet av matningsnätet (power grid signoff) måste vi försäkra oss om att eventuella strömtransienter från inkopplandet av PSO-blocket inte korrumperar omkringliggande logik. Se tabell intill.

Slutsats. Att använda en kitbaserad ansats till low-power-konstruktion – som den här beskrivna – tillsammans med ett allmänt effektformat som CPF är en mycket effektiv metod för att samla in och kommunicera lågeffektkunnande genom en hel organisation. Det gör att konstruktörer med olika erfarenhetsnivåer effektivt och ändamålsenlig kan införa avancerad lågeffektsteknik.