点击查看精选 IC 技能树系列文章
点击进入【芯片设计验证】社区，查看更多精彩内容

 声明：

  • 作者主页：【MangoPapa的CSDN主页】。
  • ⚠️ 本文首发于CSDN，转载或引用请注明出处【https://mangopapa.blog.csdn.net/article/details/129384557】。
  • ⚠️ 本文目的为 个人学习记录 及 知识分享。因个人能力受限，存在协议解读不正确的可能。若您参考本文进行产品设计或进行其他事项并造成了不良后果，本人不承担相关法律责任。
  • ⚠️ 若本文所采用图片或相关引用侵犯了您的合法权益，请联系我进行删除。
  • 欢迎大家指出文章错误，欢迎同行与我交流 ~
  • 邮箱：mangopapa@yeah.net
  • 直达博主：loveic_lovelife 。（搜索或点击扫码）

文章目录

  • 1. 低功耗仿真是什么
    • 1.1 低功耗技术
    • 1.2 UPF 简介
  • 2. 低功耗验证验什么
  • 3. 低功耗仿真流程
    • 3.1 常用 FLow
    • 3.2 仿真具体步骤
    • 3.3 Verdi Debug 手段
  • 4. 其他参考及友链

 

简单记录下基于 VCS NLP 的动态低功耗验证仿真与 Debug 相关内容。

1. 低功耗仿真是什么

  低功耗仿真（Low Power Simulation, LPS）是指对做了低功耗设计的芯片进行低功耗相关功能的仿真验证。低功耗仿真通常包括静态仿真和动态仿真，通过低功耗仿真，能够提前发现低功耗相关设计缺陷并减少返工。

1.1 低功耗技术

  在低功耗仿真之前需要搞清楚低功耗技术有哪些。以下几篇文章介绍得挺好：

  • 数字IC（SoC）低功耗设计方法总结
  • 低功耗设计方法 (1) 功耗构成和类型
  • 低功耗设计方法 (2) 系统与架构级低功耗设计
  • 低功耗设计方法 (3) RTL级低功耗设计

  总结下来，常用的低功耗技术有：

  • 静态低功耗技术
    • 多阈值工艺（Multi-Vt Design）
    • 门控电源（Power Gating）
    • 体偏置（Body Bias）
  • 动态低功耗技术
    • 多电压阈（Multi-Voltage Domain）
    • 预计算
    • 门控时钟（Clock Gating）
  • 门级优化技术
    • 毛刺的消除
    • 逻辑级优化
    • 物理级优化
    • 控制输入向量
  • RTL级的一些低功耗设计方法
    • 并行结构与流水结构
    • 资源共享与优化编码
    • 操作数隔离

1.2 UPF 简介

  芯片设计中，为了实现低功耗设计意图，各家有各家的方法。Synopsys 采用统一电源格式 (Unified Power Format, UPF) 文件来描述芯片设计中的低功耗设计意图。关于 UPF 的语法及使用我们不作介绍，可以参考 Synopsys NLP 文档，或参考以下几篇文章：

  • Lower power design & UPF 学习
  • VCS Native Low Power (NLP) (synopsys.com)
  • 低功耗验证(一) CMOS基础，功耗分类，低功耗方法
  • 低功耗验证(二）UPF，低功耗流程，VCS NLP
  • 低功耗和UPF介绍
  • 低功耗设计——基于UPF进行设计

2. 低功耗验证验什么

  为了实现低功耗，设计了什么我们就验什么。对于前端验证而讲，我们更关注动态低功耗技术。在仿真的时候，我们较多关注的地方有：

  1. 电源网络描述是否正确
    • 电压域 (Power Domain) 划分是否正确，供电电压是否正确。
    • 电压域边界的供电端口 (Supply Port) 是否正确，供电网络 (Supply Ner) 连接是否正确。
    • 电源开关 (Power Switch) 的输入、输出及使能信号是否正确。
  2. 电源状态表 (Power State Table, PST) 覆盖率，是否覆盖全，是否出现了非预期的状态切换
  3. 低功耗单元实现是否正确。
    • 隔离 (Isolation) 单元，确保钳位值（Clamp Value）正确，尤其是防止 Power Off Domain 传播 X/Z 或非预期的值到 Power On Domain。
    • 电压转换 (Level Shifting)单元。信号在不同电压域之间传播时需要做电压转换，要确保是否有做，转换方向是否正确。
    • 寄存器保持 (Retention) 单元。有些寄存器需要在 Power Off 后保持原来的值，应采用保持寄存器。
    • 电源开关单元。
  4. Power Sequence。Power Sequence 一般是 DV 根据 Power Spec 的要求在 tb 里写的，确保按照该顺序能够正常上下电及正常工作。要确保 PMU 中的 FSM 完全遍历，且能够从不同的 Sleep Mode 唤醒。
  5. 其他
    • Power Domain 上下电、Free-run clock 等的断言
    • 形式验证

3. 低功耗仿真流程

  VCS 提供了 VC LP (Low Power) 及 NLP (Native Low Power) 这两个工具分别来做静态低功耗检查及动态低功耗仿真。我们只看下基于 VCS NLP 的动态低功耗仿真流程。

  VCS NLP 集成了低功耗仿真的功能，能够与 VCS 协同仿真，只需要采用以下方式来指定 UPF 文件即可实现带 UPF 的低功耗仿真：

vcs -upf

3.1 常用 FLow

  有两种常用的低功耗仿真 Flow：一种是传统的 UPF-prime Flow，该 Flow 需要设计人员在不同阶段提供 3 个不同的 UPF；另一种是 Synopsys 推荐的 Golden UPF Flow，该 Flow 只需要在最开始提供一个能够在前仿和门仿中复用的 Golden UPF。两种 Flow 流程图如下图所示。Golden UPF Flow 详查文档：Golden UPF Flow Application Note。可复用的 Golden UPF 写法参考：Writing Reusable UPF For RTL And Gate-Level Low Power Verification。

▲ 图 1：UPF-Prime (Traditional) and Golden UPF Flows

  总结一下，按照时间顺序，低功耗仿真分为以下几个阶段：

  1. RTL+UPF。此时 RTL 为逻辑综合前的 RTL， RTL 还没有插入 Low Power Cell (Isolation, Retention, Level Shifter, Power Switch 等) 和 PG (Power & Ground) Pin，VCS 根据 UPF 插入虚拟 Cell 和 Net。此时的低功耗仿真采用的 RTL 中具备 Power Supply Port 和 Power Domain，采用了具备电源信息的模拟硬核（Hard Macro），具有 X-Propagation 特性，更贴近门仿结果。

  2. netlist+UPF’。此时采用 DC 逻辑综合后的门级网表，已经插入了部分 Low Power Cell (Isolation, Retention, Level Shifter)，尚未插入 PG 和 Power Switch 。采用的 UPF 为逻辑综合后生成的 UPF’。此步骤非必须，看项目需求。

  3. netlist+UPF’’ 及 PG Netlist。此时采用物理实现后的门级网表。一般来讲没必要用 VCS NLP 带 UPF’’ 跑仿真，PG Netlist 里已经包含了各种 Low Power Cell、PG Pin 等 Power Aware 相关供电网络，直接用 vcs 跑 PG Netlist 即可 (不带 UPF)。

3.2 仿真具体步骤

  1. 找 DE/FEINT 要到 UPF 文件。

  2. 在 TB 中对 DUT 按照上下电顺序及时序开关电源。一般采用 UPF package 的 supply_on、supply_off 函数给指定端口供电，可以在 initial 块内也可以在 always 块内。示例如下：

    // 必须 import UPF:* 才能调用 supply_on, supply_off 函数import UPF::*;initial beign  // Hierarchy 用 ‘/’ 而非 ‘.’，错用不报 Error 报 Warning  supply_on("VDD", 1.1);   supply_on("VSS", 0);end

  3. 在 UPF 中设置设计属性。

    • 该 UPF 通常为 DV 自己新建的 UPF，编译时采用的 UPF 也为该 UPF。该 UPF 中将 DE/FEINT 提供的 UPF load 进来，便于添加自定义的设计属性。

      load /xxx/xxx/de_feint.upf

    • 设置 initial 块的 SNPS_reinit。initial 块常见于 PHY 等 Simulation Behavior Model 内，且 Model 分为带 PG 和不带 PG 两种（独立文件或 macro 隔离）。默认情况下 initial 块默认只执行一次，为确保某 Power Domain 内的 initial 块在 Power ON-OFF-ON 之后能够重新执行，需要在 UPF 内开启 initial 块的 reinit。示例如下：

      set_design_attributes -attribute {SNPS_reinit TRUE} \-models {model1 model2 model3} -transitive TRUE// 设置 -transitive TRUE 后，其他模块相关属性默认为 FALSE。

    • 对 ROM 等不受 UPF 掉电影响的模块设置 UPF_dont_touch，确保其 Always On。

      set_design_attributes -attributes {UPF_dont_touch TRUE} \-models {model1 model2 model3}

    • 其他设计属性

  4. vcs 编译，根据实际情况添加 vcs 编译选项

    • -upf 指定低功耗仿真所用的 UPF 文件路径（必须）。这样 VCS 在编译的时候会自动调用 NLP 工具。
    • 指定 Power Top（必须）。一般将 tb top 作为一个 always on 的 power domain 作为 Power Top。指定 Power Top 的两种方式：
      • 通过 vcs 编译选项 -power_top 指定；
      • 或在 UPF 中通过 set_design_top 指定 Power Top。
    • -power 指定相关 vcs 编译选项（可选），可多次叠加指定，有两种形式：-power=++… 或 -power= -power=。较为常用的选项有：
      • -power=accurate，跳过插入虚拟 Isolation Cell。
      • -power=attributes_on，开启 vcs_reinit，vcs_dont_reinit，vcs_always_on，vcs_dont_trigger_on_wakeup 属性。
      • -power=cov_pst，开启 PST 覆盖率收集。

  5. simv 仿真，根据实际情况添加 vcs 仿真选项。常用选项有：

    • -power 指定仿真运行时 upf 相关配置（可选），power_options 可以为 tcl 文件。
    • -xprop 打开 X 态传播检查（可选）。建议打开。

  6. 查看波形及 Log 进行 Debug

    • log report 目录名为 mvsim_native_reports，其中的 WARNING 和 ERROR 均需清理。

  以下几篇文章讲低功耗仿真流程讲得挺好，可重点参考：

  • 使用 VCS 和 Verdi 的 UPF 低功耗仿真流程
  • 低功耗验证(二）UPF，低功耗流程，VCS NLP
  • 使用 VCS 进行带UPF的RTL低功耗仿真

3.3 Verdi Debug 手段

  跟 VCS-NLP 仿真配套的，可用 verdi 进行 Power Aware Debug。使用 VCS-NLP 进行仿真跑出的波形，直接用 verdi 打开波形加载 UPF，即可看到相关 Power Aware 信息。Power Aware Debug 中的 Verdi 使用重点参考以下几篇文章：

  • 使用 VCS 和 Verdi 的 UPF 低功耗仿真流程
  • 使用 VCS 进行带UPF的RTL低功耗仿真

4. 其他参考及友链

  • VCS Native Low Power (NLP) User Guide
  • Golden UPF Flow Application Note
  • Verdi® Power-Aware Debug User Guide
  • Writing Reusable UPF For RTL And Gate-Level Low Power Verification
  • VCS带UPF的RTL低功耗仿真介绍
  • VCS自带的UPF低功耗仿真demo介绍
  • 一个UPF低功耗仿真的简单例子- IC验证讨论

— END —

精选往期 IC 技能树相关博文，请查看【 数字 IC 技能树】专栏

⬆️ 返回顶部 ⬆️