?半導(dǎo)體行業(yè)的功耗之戰(zhàn)

“能源消耗”、“碳排放”、“續(xù)航焦慮”，這一系列的問(wèn)題反映到半導(dǎo)體領(lǐng)域，都與芯片功耗息息相關(guān)。目前，我們正處于數(shù)字化浪潮中，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)駕駛汽車和數(shù)據(jù)中心等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)師們正面臨著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：如何在追求高性能的同時(shí)，有效管理功耗？這是因?yàn)?，高能耗不僅導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱、電池續(xù)航減短、成本上升，還會(huì)增加碳排放，從而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

實(shí)現(xiàn)每瓦特的最佳性能，已成為各行業(yè)芯片設(shè)計(jì)師面臨的“必修課”，誰(shuí)能更有效地解決能耗問(wèn)題，誰(shuí)就可能獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

新興市場(chǎng)，面臨功耗之殤

近年來(lái)，智能汽車、數(shù)據(jù)中心和人工智能（AI）等新興市場(chǎng)正迅速發(fā)展，這些領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苄酒男枨蟛粩嘣鲩L(zhǎng)，以TOPS著稱的AI加速器逐漸成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的中流砥柱，為這些新興領(lǐng)域提供強(qiáng)大的算力支持。然而，高算力、高性能的背后也意味著高功耗。

在汽車領(lǐng)域，隨著汽車電動(dòng)化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，駕駛輔助系統(tǒng)、智能安全功能和先進(jìn)的信息娛樂(lè)系統(tǒng)已普及至各價(jià)位車型，不再是高端品牌的專屬。這些創(chuàng)新功能的核心依賴于硅芯片技術(shù)。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛（ICE）中含有1000多個(gè)芯片，而在電動(dòng)車（EV）中，這一數(shù)字翻倍。

這么多的電子設(shè)備意味著消耗大量的電能：

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車來(lái)說(shuō)，這增加了電氣系統(tǒng)和充電系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，因此汽車制造商正在考慮從目前的12V系統(tǒng)轉(zhuǎn)向48V系統(tǒng)。這樣可以降低車輛線路中的電流水平，使用成本更低的細(xì)電線，同時(shí)提高可靠性。

對(duì)于EV，車載電子設(shè)備的高能耗直接關(guān)系到續(xù)航里程，“續(xù)航焦慮”成為消費(fèi)者購(gòu)車過(guò)程中僅次于價(jià)格的第二考慮因素?，F(xiàn)代車輛，特別是那些集成了先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、自動(dòng)駕駛技術(shù)以及音視頻智能功能的車輛，需要處理來(lái)自多個(gè)來(lái)源的大量數(shù)據(jù)，例如視頻、音頻、雷達(dá)和激光雷達(dá)（LiDAR）等。這些數(shù)據(jù)源為車輛提供了關(guān)于其周圍環(huán)境的詳細(xì)信息，使其能夠更安全和更智能地駕駛。為了處理這些數(shù)據(jù)，汽車需要具備強(qiáng)大的算力。而駕駛輔助和安全特性越高級(jí)，能耗也水漲船高，進(jìn)而增加了電動(dòng)車的充電頻率和對(duì)電網(wǎng)的壓力，對(duì)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

數(shù)據(jù)中心作為數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施的核心，其能耗問(wèn)題更為突出。隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)處理能力的要求也不斷攀升。芯片作為數(shù)據(jù)中心的“心臟”，其能耗成本已成為運(yùn)營(yíng)商不可忽視的一大負(fù)擔(dān)。

人工智能市場(chǎng)的迅猛發(fā)展同樣帶來(lái)了能耗問(wèn)題。AI算法通常需要大量的計(jì)算資源，尤其是在訓(xùn)練復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)模型時(shí)。以ChatGPT為典型，其所需的計(jì)算資源大約每3-4個(gè)月就要翻一倍，要處理的參數(shù)達(dá)到T級(jí)別，訓(xùn)練單個(gè)深度學(xué)習(xí)模型GPT3，大約會(huì)產(chǎn)生約500噸的二氧化碳排放，相當(dāng)于普通燃油車行駛一百萬(wàn)英里。

近日，美國(guó)能源部（DoE）呼吁將半導(dǎo)體能效提高1000倍。從半導(dǎo)體行業(yè)的角度來(lái)理解這個(gè)問(wèn)題，就意味著降低芯片的功耗。無(wú)論是在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行AI訓(xùn)練，還是在邊緣進(jìn)行推理，實(shí)現(xiàn)每瓦性能的最佳化顯然是半導(dǎo)體行業(yè)的首要任務(wù)。降低能耗除了減少環(huán)境影響，還能降低運(yùn)營(yíng)成本，最大限度地提高有限功率預(yù)算內(nèi)的性能，并幫助緩解熱挑戰(zhàn)。

對(duì)于數(shù)據(jù)中心、汽車和AI市場(chǎng)這些有著高算力、高能耗需求的市場(chǎng)，對(duì)功耗進(jìn)行優(yōu)化是發(fā)展的必由之路。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，唯有實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與環(huán)境可持續(xù)性的平衡，才是推動(dòng)這些領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵。

如何塑造未來(lái)的SoC低功耗設(shè)計(jì)？

說(shuō)到Soc芯片的功耗優(yōu)化方法，在過(guò)去幾十年中，其設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了重大的技術(shù)演進(jìn)。

起初，半導(dǎo)體行業(yè)主要依賴于SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）這類電路模擬器來(lái)評(píng)估晶體管層面的功耗。雖然SPICE在處理能力和運(yùn)算速度方面存在局限，但它卻是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的工具之一。隨著技術(shù)進(jìn)步，SPICE逐漸演變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行更高精度的門級(jí)功耗分析的工具，從而在模擬和分析電子電路能源消耗方面提供了更高的準(zhǔn)確性。

在技術(shù)的中期階段，行業(yè)向基于專門電源特性庫(kù)的更高級(jí)門級(jí)工具過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)了更高層次的抽象模擬。隨后，這種趨勢(shì)延伸至寄存器傳輸級(jí)（RTL）、系統(tǒng)級(jí)方法，甚至擴(kuò)展到仿真電源分析領(lǐng)域。雖然這種轉(zhuǎn)變?cè)诟叱橄髮用嫔咸峁┝烁嘟?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E4%BD%8E%E5%8A%9F%E8%80%97/">低功耗的機(jī)會(huì)，但可能會(huì)犧牲一定的分析精度。而當(dāng)深入具體設(shè)計(jì)階段，如RTL和實(shí)現(xiàn)階段，功耗分析的準(zhǔn)確性得到提高，但可能會(huì)犧牲設(shè)計(jì)的靈活性。

現(xiàn)今，為提高復(fù)雜芯片設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注于RTL和更高層次的抽象。這涉及到為不同的組件，如IP塊、處理器核心、硬件加速器等，開發(fā)更高級(jí)別的模型。仿真技術(shù)在這方面扮演著重要角色，它提供了更現(xiàn)實(shí)的功耗分析，不再僅依賴于合成數(shù)據(jù)向量，而是使用實(shí)際工作負(fù)載進(jìn)行分析。

當(dāng)然，對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域的芯片，其設(shè)計(jì)方法和需求可能有所不同。比如AI加速器通常由數(shù)千個(gè)處理元素（tile）組成的陣列構(gòu)成，對(duì)于十億門以上的設(shè)計(jì)，為了降低功耗和漏電，需要高級(jí)仿真系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)十億個(gè)周期，并迅速提供多個(gè)準(zhǔn)確的迭代，進(jìn)行多域硬件和軟件功耗驗(yàn)證。

而對(duì)于電動(dòng)汽車這種能耗敏感型的應(yīng)用，需要全面考慮整個(gè)汽車系統(tǒng)的構(gòu)建，因此，硬件架構(gòu)的決策成為了設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在策劃整個(gè)汽車硬件系統(tǒng)時(shí)，工程師需要在不同類型的處理器——如通用CPU架構(gòu)、專用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和硬件加速器——之間做出選擇，以便在靈活性、效率和專用化之間找到平衡。此外，內(nèi)存子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也不可忽視。為了做出這些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策，架構(gòu)師需要能夠訪問(wèn)一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以穩(wěn)健的方式對(duì)硬件的功耗、性能和面積（PPA）特性進(jìn)行建模。這不僅包括硬件的物理屬性，還涉及不同用例下的性能表現(xiàn)。

可以看出，芯片的功耗管理是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的任務(wù)。因此，在整個(gè)芯片設(shè)計(jì)周期中，設(shè)計(jì)師必須采用全面的低功耗策略，這涉及從最初的設(shè)計(jì)階段到最終的物理實(shí)現(xiàn)階段的每一個(gè)細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能效。

芯片的低功耗之旅幾乎要貫穿芯片始終。首先，需要在RTL階段，采用功耗優(yōu)化方法，包括關(guān)閉不必要的電源域、調(diào)整電壓和處理器頻率，以及更智能地控制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)流，甚至是借助AI的力量，完成設(shè)計(jì)上的低功耗設(shè)計(jì)。然后，驗(yàn)證工程師再來(lái)驗(yàn)證這些低功耗方法是否行之有效，此時(shí)，他們需要使用全面的電源管理策略，如統(tǒng)一電源格式（UPF），并確保所有驗(yàn)證方法——無(wú)論是靜態(tài)的、形式的、還是基于仿真的——都能正確理解和實(shí)施這些策略。最后，在完成RTL功耗分析和降低后，可以使用物理實(shí)現(xiàn)，如綜合和布局布線工具進(jìn)一步優(yōu)化PPA。

基本的方法論已經(jīng)確定了，但是挑戰(zhàn)依然存在：如何確保在所有設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)最大的功耗優(yōu)化準(zhǔn)確性？解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于不斷完善和升級(jí)工具及方法論，確保它們能夠滿足不斷變化的能耗要求。

新思科技低功耗SoC解決方案：從架構(gòu)到功耗簽核，全流程助力功耗優(yōu)化

在應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)日益增長(zhǎng)的功耗降低與能效提升需求中，新思科技推出了全面的端到端解決方案——節(jié)能系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)解決方案（Energy-Efficient SoCs），助力各領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)師能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式達(dá)到或超過(guò)雄心勃勃的性能和能效目標(biāo)，同時(shí)加速上市時(shí)間。該解決方案涵蓋了從架構(gòu)到RTL設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，再到仿真驅(qū)動(dòng)的功耗分析，再到實(shí)施，最終到功耗簽核的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

下圖顯示了新思科技這一低功耗解決方案的全流程。在芯片設(shè)計(jì)流程的初始階段，Synopsys Platform Architect可以用于基于預(yù)RTL架構(gòu)模型和軟件工作負(fù)載的架構(gòu)探索和早期性能功耗權(quán)衡。

新思科技的端到端的低功耗解決方案

下一階段的Synopsys ZeBu Empower用于功耗仿真，具有分析和探索軟件工作負(fù)載以識(shí)別進(jìn)一步分析和探索的關(guān)鍵窗口的能力和性能。位于硅谷的AI芯片初創(chuàng)公司SiMa.ai已經(jīng)開始使用ZeBu Empower來(lái)設(shè)計(jì)用于智能邊緣的高性能、低能耗AI芯片，來(lái)降低功耗。在能效提升方面，SiMa.ai成功地將其低功耗MLSoC的每瓦每秒幀數(shù)（FPS）提高了2.5倍。SiMa.ai的硅工程總監(jiān)Sounil Biswas在2023年SNUG硅谷大會(huì)上的一次演講中提到，Synopsys ZeBu Empower的數(shù)據(jù)與實(shí)際板上測(cè)量結(jié)果高度一致。

為了補(bǔ)充ZeBu Empower并實(shí)現(xiàn)低功耗的RTL設(shè)計(jì)，新思科技又提供了Synopsys PrimePower RTL，這是一種RTL功耗分析和降低工具，它具備時(shí)序?qū)虿⒖紤]物理設(shè)計(jì)的邏輯綜合能力與集成計(jì)算引擎，始終能夠獲得準(zhǔn)確的功耗結(jié)果（其功耗結(jié)果同物理版圖布局后的計(jì)算差異在±15%之內(nèi)）。Synopsys PrimePower RTL還能隨著RTL成熟，進(jìn)行高精度的RTL功耗探索。

Synopsys Fusion Compiler是一個(gè)全面且集成的RTL到GDSII實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)額外的PPA優(yōu)化。接下來(lái)，PrimePower和RedHawk（來(lái)自Ansys，現(xiàn)在已是新思科技的一部分）的簽核引擎融合，提供最快的收斂速度和最佳的結(jié)果質(zhì)量（QoR）。Synopsys PrimePower是一個(gè)被認(rèn)為是黃金標(biāo)準(zhǔn)的功耗簽核解決方案，其已被全球領(lǐng)先的晶圓代工廠認(rèn)證，適用于高達(dá)3納米工藝，能夠提供快速的運(yùn)行性能和分布式處理，實(shí)現(xiàn)簽核階段的高精度，精度與SPICE和硅測(cè)量結(jié)果相差僅幾個(gè)百分點(diǎn)。

新思科技的節(jié)能SoC開發(fā)流程專注于在芯片設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段尋找并實(shí)現(xiàn)降低功耗的機(jī)會(huì)，從而創(chuàng)造出高能效的芯片。其方法是基于實(shí)際使用場(chǎng)景中的軟件運(yùn)行狀況來(lái)調(diào)整功耗和性能的平衡，這樣做可以避免在實(shí)際使用中出現(xiàn)意外的問(wèn)題。通過(guò)早期和準(zhǔn)確的功耗分析，芯片工程師能夠快速且有效地達(dá)到預(yù)定的PPA目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，芯片設(shè)計(jì)的功耗管理是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的任務(wù)，低功耗設(shè)計(jì)方法已經(jīng)走了很長(zhǎng)的路，從基礎(chǔ)工具發(fā)展到復(fù)雜的仿真解決方案，不斷推動(dòng)著芯片行業(yè)的進(jìn)步。而在當(dāng)前這個(gè)既重視高性能又強(qiáng)調(diào)高能效的新時(shí)代，新思科技推出的全新端到端節(jié)能SoC解決方案，無(wú)疑將成為推動(dòng)系統(tǒng)級(jí)芯片向更高節(jié)能目標(biāo)邁進(jìn)的關(guān)鍵力量。