功耗？不怕，我有办法！

高性能处理器架构、软件和人工智能 (AI) ，推动我们进入万物智能时代。先进的技术都离不开底层芯片，而芯片的成功又取决于硬件处理大量数据的能力。因此片上系统 (SoC) 架构变得越来越复杂，以满足与功耗有关的苛刻需求。

功耗与成本的拉锯战

长期以来的实践已经证明，仿真是硬件验证、性能验证和早期软件开发的关键。

如今，功耗优化的重要性逐渐凸显，仅仅按时推出新一代的芯片远远无法满足需求。对设计团队来说，一套降低功耗和功耗管理验证的综合性解决方案至关重要。这能够帮助团队明确了解功耗情况，并验证从芯片设计到软件发布的整个生态系统。

十年前，芯片开发的主要驱动力是，频率以及提高处理器速度 (GHz) 的能力。在一些人纠结于2Ghz处理器如何能每秒执行核心操作20亿次时，另一些人则采用2.6 GHz处理器每秒执行26亿次操作，速度提高了近20%。芯片设计人员会重点评估算术逻辑单元 (ALU) 在执行所有计算任务时的数据处理能力及速度并获得重要的性能基准数据，从而销售他们的产品。然而，这种对计算性能的关注改变了功耗与性能的等式。

当前，计算驱动巨大市场需求，意味着频率和计算能力不再以百分比来比较，而是采用倍数。

此外，基于实际软件工作负载的功耗分析传统上只能在流片之后进行。设计将经历架构探索、RTL、物理设计和验证等阶段，直到将设计交付代工厂，在实际情况中确定功耗。在如此繁琐的流程中寻找优化机会是一项极为耗费劳动力的工作，一般需要数周的实验过程，而且通常依赖于过往经验和反复试错，给关键任务攸关的高功耗情况带来大量风险，使企业不得不在成本与功耗性能之间做权衡。

功耗管理的必要性

当前，设计和验证团队需要密切关注三个潜在的功耗指标。我们以现代手机为例进行说明：

• 漏电量：如手机空闲时耗费的电量。
• 动态功耗：在手机处于活动状态并运行多个应用时需要消耗的电量，例如在汽车导航时播放有声书。
• 峰值功耗：手机运行不同的应用而达到至大功能极限，同时保持各项功能正常执行时消耗的电量。在某些情况下，手机的平均功耗较低，但峰值功耗可达到平均功耗的20倍，可能导致运行速度变慢和发热等结果。

这些影响也延伸到其他快速发展的技术应用领域，例如高性能计算 (HPC)、5G、人工智能、汽车芯片等。

近年来，随着市场对功耗分析更加重视，功耗方面的讨论已经上升到了架构探索阶段。这种升级也反映了功耗管理以及关键部件预测在整个芯片制造过程中的必要性。

仿真与“左移法”

晶体管尺寸缩小，计算能力和性能之间的权衡范围不断扩大，仿真正在成为功耗验证的惯常做法。芯片设计人员需要设计出能够降低功耗的理想设计，但这并非易事。假设一个芯片消耗了一瓦功率，而你希望在实施层面降低功耗——这种方法可以降低大约5-7%的功耗，但却治标不治本。

为了提高能效，无论是在数据包生成过程中，还是在识别数据流中的冗余数据时，识别并减少系统中的活动流都可以将功耗减少2倍。

随着功耗的重要性不断提升，芯片制造商对于这种在多个阶段进行功耗验证的方法也越来越感兴趣。仿真由此被引入，在过程中发挥着关键作用。

从根本上讲，仿真是通过模拟实际硬件的行为特征实现设计映射，并准确地模拟系统中的活动流程。尽管动态功耗和峰值功耗是系统中数据流的函数，但评估系统的平均功耗需求对于准确分析功耗也很重要。

与模拟为验证提供动力的情况相比，仿真将速度加快了1000倍，这样芯片制造商便能够在多个周期内运行真实的工作负载，对平均功耗进行准确诊断，并识别峰值功耗高的组件——这是功耗验证过程中的关键部分。

在软件开发生命周期 (SDLC) 的初期，采用“左移”方法势在必行，因为这样可以确保及时检测功耗大的活动。

与流片后进行验证的方法相比，早期检测漏洞和解决功耗问题速度更快、成本更低。这需要快速且全面的验证工具，才能确保团队在紧迫的设计周期内成功完成SoC功耗分析和优化。

在仿真系统上编译复杂设计的效果取决于多个因素，例如容量、在特定功能模式下运行以确定通过与否的能力以及调试能力。

为了应对这些艰巨的挑战，下一代仿真系统必须利用快速仿真硬件技术来满足紧迫的时间要求。

ZeBu Empower:超快功耗感知系统

新思科技在应对紧急的设计需求方面一直是行业的先行者，并将功耗验证作为核心竞争力。

数十亿计的SoC工作负载量和大功耗设计日益提升的复杂程度给功耗相关设计带来了严峻的挑战，新思科技并为应对这一挑战开发出了一项新技术：ZeBu Empower.

ZeBu Empower提供了超高的计算性能，是业界首个，同时也是速度领先快的功耗感知仿真系统，可在数小时内对实际工作负载进行功耗验证。

此外，ZeBu Empower采用了优化的仿真和功耗计算引擎，使设计人员能够快速识别耗电量大的领域，尽早改善系统动态和泄漏功率，同时满足关键任务的高速计算需求。

新思科技创建了可灵活扩展且高效的功耗计算，确保设计尺寸和仿真周期可以并行调整，从而实现了独特的市场领先优势。从架构角度来讲，这种突破性的创新使团队能够扩展设计周期，并将仿真能力融合到其中。这与以前的方法全然不同，ZeBu Empower的性能支持每天多次迭代，并在完整设计及其软件工作负载的基础上获得有效的功耗分析数据。

行业需要将认证从流片后转到流片前，这推动了ZeBu Empower的广泛采用。现在新思科技的客户可以更好地满足软硬件功耗验证的严苛需求，并开发新一代功耗优化SoC。这种高度可靠性也让验证团队能够利用ZeBu Empower的快速仿真能力优化操作系统和芯片设计，显著降低散热器复杂性，实现SoC功耗目标。

功耗将是SoC设计的下一个前沿。无论现在还是将来，功耗验证都将是连接现代芯片设计领域的支点。