[发明专利]一种基于关键路径数和敏感性的多阈值低功耗优化方法

说明书

本发明公开了一种基于关键路径数和敏感性的多阈值低功耗优化方法，属于集成电路低功耗设计领域。所述方法所选用的优先级评估指标所参考的特征丰富，优先级的表征能力更强，相对于PCOM、GDSPOM方法，本发明提供的方法能够同时考虑单元替换前后的延时变化量、功耗变化量以及单元所处关键路径数量三个因素。根据此优先级的排序结果，本方法能够在高阈值到低阈值单元替换过程中优先地执行收益较高的单元替换，而且不需要对关键路径和非关键路径进行区别对待，因此方法复杂度较低，更易实现和应用，采用本发明方法的功耗优化效果显著。

技术领域

本发明涉及一种基于关键路径数和敏感性的多阈值低功耗优化方法，属于集成电路低功耗设计领域。

背景技术

随着CMOS技术发展到深亚微米阶段，泄漏功耗的占比会随工艺的进步而逐渐增加，泄漏功耗成为低功耗设计中的重要考虑因素之一。

多阈值技术(又称多阈值CMOS技术)是降低CMOS电路静态功耗的有效方法。为了解决性能和功耗的折衷问题，CMOS工艺制造厂商推出了多种不同阈值电压的标准单元库：HVT库、RVT(有些厂商称之为MVT或SVT)库和LVT库，分别被称为高阈值库、常规阈值库和低阈值库。CMOS单元的电压阈值影响着该单元的泄漏功耗和时序延迟，较高阈值的CMOS单元具有泄漏功耗低、时序延迟大的特点，而较低阈值的CMOS单元具有泄漏功耗高、时序延迟小的特点。

在ASIC(Application Specific Integrated Circuit)设计中，逻辑电路的门级网表是EDA工具根据约束从标准单元库中例化最合适的CMOS单元后组成的，门级网表中的单元也能够借助EDA工具进行替换。而多阈值技术指的是，对于数字逻辑电路的门级网表，通过将较低阈值的组合逻辑单元替换为较高阈值的组合逻辑单元，以降低电路的泄漏功耗，但是这种单元替换操作会增加单元的时延，因此在使用低阈值到高阈值单元替换方法尝试降低功耗的同时，也需要尽可能地减小时序的衰退程度。

芯片设计者们就多阈值技术问题开展了众多研究。由于性能和功耗之间存在折衷关系，一般地，为了以尽可能小的时序代价换取尽可能多的泄漏功耗的降低，非关键路径上的逻辑单元应尽可能地使用较高阈值的单元，而关键路径上的逻辑单元应尽可能地使用较低阈值的单元。对于一个组合逻辑单元来说，单位时序代价换取的功耗降低量越高(即执行单元替换的收益越高)，对该单元执行低阈值到高阈值替换操作的优先级也应当越高，研究者们为此尝试了多种用来评估单元优先级的指标。Chung等(可参考“Chung B,Kuo JB.Gate-level Dual-threshold Static Power Optimization Methodology(GDSPOM)using Path-based Static Timing Analysis(STA)Technique for SOC Application[J].Integration,2008,41(1):9-16.”)提出了GDSPOM方法，该方法首先使用RVT综合RTL，然后将每个单元所处的关键路径数量作为评定单元替换优先级的指标，最后根据优先级顺序执行RVT转LVT操作，直到时序刚好得到满足。Hsu等(可参考“Hsu C B,Kuo J B.PowerConsumption Optimization Methodology(PCOM)for Low-power Low-voltage 32-bitMicroprocessor Circuit Design via MTCMOS[C].2014IEEE 57th InternationalMidwest Symposium on Circuits and Systems(MWSCAS),College Station,TX,USA,2014:921-924.”)提出了PCOM方法，该方法首先根据替换逻辑单元获得的功耗变化量作为单元替换的优先级，然后根据优先级遍历组合逻辑单元，执行SVT到HVT的单元替换并确保每次替换结束后电路仍能满足时序约束。Hsu等(可参考“Hsu C B,Hong Y S,Kuo JB.MTCMOS Low-power Optimization Technique(LPOT)for 1V Pipelined RISC CPUCircuit[C].2014 21st IEEE International Conference on Electronics,Circuitsand Systems(ICECS),Marseille,France,2015:60-63.”)还提出了LPOT方法，该方法也会根据功耗高低对节点的访问优先级进行排序，与PCOM方法不同的是，LPOT方法会执行SVT到HVT的单元替换一直到刚好发生时序违例，然后会根据每个单元的灵敏度(由时序裕量和泄漏功耗的比值确定)，对单元的优先级进行评估，最后会根据灵敏度的排序情况，依次执行HVT到SVT单元的替换。Lin等(可参考“Lin G.J.Y.,Hsu C.B.and Kuo J.B.,Critical-pathAware Power Consumption Optimization Methodology(CAPCOM)using Mixed-VTH Cellsfor Low-power SOC Designs[C].2014IEEE International Symposium on Circuits andSystems(ISCAS),Melbourne VIC,2014:1740-1743.”)提出了一种具有关键路径感知能力的功耗单元替换方法，该方法首先将非关键路径的单元替换为较高阈值单元，然后再将关键路径的单元替换为较高阈值单元，这种方法能够提供细粒度的功耗优化。