降低視頻密集型便攜式產(chǎn)品的能耗

隨著(zhù)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的發(fā)展，加上集成電路（IC）技術(shù)的不斷進(jìn)步，便攜式消費電子設備擁有了令人目眩的播放各種視頻內容的能力。不斷增加的移動(dòng)產(chǎn)品讓用戶(hù)進(jìn)入了多彩的視覺(jué)體驗之中，如實(shí)時(shí)視頻、交互式游戲、交互式地圖、網(wǎng)頁(yè)瀏覽還有高分辨率照片。并且，不論是基本的手機，還是全功能的PDA，這些功能都在產(chǎn)品的吸引力方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用，從而對其市場(chǎng)成功也影響巨大。

但是，實(shí)現這此功能的圖像處理器能耗都很大，因而給便攜系統設計師提出了挑戰。圖像處理總是需要密集的計算，同時(shí)所需時(shí)間周期也會(huì )延長(cháng)。舉例來(lái)說(shuō)，能處理視頻的移動(dòng)設備必須能夠對輸入的每一幀進(jìn)行解壓、解碼、調整尺寸并對之施加圖形過(guò)濾器。然后它還要按每秒30次的頻率重復這些計算，才能保證輸出到移動(dòng)設備顯示屏的視頻流。這是實(shí)實(shí)在在的工作負載，對電能的胃口也非常大。

消費者對富視頻產(chǎn)品的渴求看上去無(wú)窮無(wú)盡，而盡量降低能耗、延長(cháng)電池使用時(shí)間對便攜式移動(dòng)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)將一直是個(gè)穩定的需求。解決這種互相沖突的目標需要一個(gè)全面綜合的方法來(lái)節省電能。便攜產(chǎn)品設計師備必須在整個(gè)設計流程上部署節能技術(shù)，以便在待機能耗和運行能耗兩方面都達到要求。

耗電的器件

要想對移動(dòng)設備的能耗進(jìn)行優(yōu)化，首先必須理解靜態(tài)和動(dòng)態(tài)耗能器件。靜態(tài)能耗是待機能耗的主要組成部分，主要來(lái)自于晶體管的泄露電流?？s小器件尺寸的一個(gè)副產(chǎn)品就是增加了晶體管的泄露電流。

對設計師來(lái)說(shuō)有一點(diǎn)是幸運的，即泄露可以在綜合階段使用多電壓臨限單元進(jìn)行自動(dòng)的標定。在綜合過(guò)程中，可以根據電能和性能的折衷選擇單元。高臨限電壓的單元可以減少泄露電流，但相對于低臨限電壓的單元，它的開(kāi)關(guān)要慢許多。在時(shí)序要求不嚴格、開(kāi)關(guān)可以慢一點(diǎn)的電路中，可以使用高臨限電壓?jiǎn)卧獊?lái)降低靜態(tài)能耗。技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了一系列不同臨限電壓的單元，靜態(tài)能耗也就通過(guò)低能耗的實(shí)現工具得到了自動(dòng)的優(yōu)化，因此大體上這個(gè)問(wèn)題對設計者來(lái)說(shuō)已經(jīng)是透明的了。

活動(dòng)能耗，也就是動(dòng)態(tài)能耗，是器件運行的結果，通過(guò)消除不必要的開(kāi)關(guān)活動(dòng)就能降低一些。寄存器傳輸級（RTL）時(shí)鐘門(mén)控是降低動(dòng)態(tài)能耗最常用的技術(shù)。時(shí)鐘門(mén)控通過(guò)有選擇地關(guān)閉時(shí)鐘來(lái)消除不必要的開(kāi)關(guān)活動(dòng)，從而極大地降低計算密集型應用如圖像處理中的動(dòng)態(tài)能耗。

時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)

現在有兩種類(lèi)型的時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)，分別是合并型（Combinational）和順序型（Sequential）（見(jiàn)圖1）。合并型時(shí)鐘門(mén)控是直接在RTL代碼中取代條件聲明，把時(shí)鐘門(mén)控單元插入到寄存器的時(shí)鐘通路中。低能耗的RTL綜合工具會(huì )在模式匹配的基礎上自動(dòng)識別并插入合并型的時(shí)鐘門(mén)控。至于低能耗綜合工具在多大程度上可以使用時(shí)鐘門(mén)控這個(gè)問(wèn)題，它要受到RTL如何編碼的制約。低能耗的綜合工具是通過(guò)在RTL代碼中，通過(guò)在定義聲明之前找到明顯的“如果（IF）”條件來(lái)找到可以插入時(shí)鐘門(mén)控的機會(huì )的。但是，這些工具并不能分析并決定何時(shí)在何處給RTL代碼插入這種“如果（IF）條件”以便降低能耗。還是要依賴(lài)RTL設計者在代碼中明顯地寫(xiě)上這種“如果（IF）條件”，低能耗綜合工具才能把它們翻譯成節能的時(shí)鐘門(mén)控。

順序型時(shí)鐘門(mén)控是一種更強大的優(yōu)化技術(shù)，它在計算密集型應用中降低能耗的能力已經(jīng)得到驗證。與合并型時(shí)鐘門(mén)控不同，順序型時(shí)鐘門(mén)控并不是簡(jiǎn)單的翻譯。它包含了對設計行為的序列分析。序列分析會(huì )對整個(gè)電路功能進(jìn)行設計狀態(tài)和周期的巡視，識別出不必要的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，諸如并發(fā)中無(wú)用的數據計算等。之后它能找出相關(guān)的邏輯條件來(lái)消除這種開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

舉例來(lái)說(shuō)，當一個(gè)寄存器的輸出被留在當前電路周期中的時(shí)候，序列分析就能用邏輯條件來(lái)關(guān)閉合并邏輯中和在前一個(gè)周期中生成這個(gè)數據的寄存器中的開(kāi)關(guān)。這種序列關(guān)系可能向前或向后在多個(gè)周期中傳播。RTL設計總是包含有多重序列關(guān)系，它可以用來(lái)減少開(kāi)關(guān)動(dòng)作，并且因此可以?xún)?yōu)化寄存器、內存、時(shí)鐘以及合并邏輯的電能消耗。

序列時(shí)鐘門(mén)控能帶來(lái)的節能效果是非常顯著(zhù)的，特別是在諸如視頻處理這類(lèi)應用中，這種應用一般都會(huì )支持多種視頻格式和依賴(lài)于數據的算法。根據輸入視頻流的不同，通常只需要對其中的一部分進(jìn)行解碼計算和過(guò)濾器操作。因此，如果設計師能充分理解設計中的序列關(guān)系，就會(huì )發(fā)現這里有許多可以使用時(shí)鐘門(mén)控的機會(huì )。

部署時(shí)鐘門(mén)控

在實(shí)現時(shí)鐘門(mén)控方法學(xué)時(shí)有三個(gè)關(guān)鍵因素：完全地識別出所有可用的時(shí)鐘門(mén)控機會(huì )；精確地生成可以利用這些機會(huì )的RTL代碼；有效地對這些加入了時(shí)鐘門(mén)控的RTL代碼進(jìn)行驗證以確保它仍然保留著(zhù)原有功能。

只到最近，加入時(shí)鐘門(mén)控的一般方法還是要設計者自己去查看代碼，尋找時(shí)鐘門(mén)控的機會(huì )并手工在RTL代碼中加入所需的IF條件。典型的時(shí)鐘門(mén)控設計工作流包括手工加入時(shí)鐘門(mén)控優(yōu)化代碼，使用RTL能耗估計方法來(lái)評測這些優(yōu)化方法的效果，最后運行模擬回歸來(lái)驗證所需要的功能都還在。最后是對RTL代碼進(jìn)行綜合，同時(shí)可以對門(mén)級的電能消耗進(jìn)行估算以便決定是否還需要更多的時(shí)鐘門(mén)控（見(jiàn)圖2）。

在這個(gè)方法中還有許多低效率的地方。由于電路中時(shí)鐘門(mén)控的機會(huì )點(diǎn)非常多，而且使用條件又非常復雜，設計師總會(huì )在審查并修改RTL代碼方面花費大量的時(shí)間。同時(shí)，由于并非所有的時(shí)鐘門(mén)控優(yōu)化方法都能帶來(lái)節電效果，其中甚至有一些會(huì )對時(shí)序和面積有不良影響，所以還需要用試算的方法來(lái)得到最低能耗的設計。這種手工工作是勞動(dòng)密集型的，它會(huì )延長(cháng)開(kāi)發(fā)周期并給RTL模擬帶來(lái)額外的要求。又因為時(shí)鐘門(mén)控優(yōu)化方法不能用傳統的合并等效檢測工具進(jìn)行驗證，所以還必須開(kāi)發(fā)新的模擬測試基準和評測工具，來(lái)驗證新的時(shí)鐘門(mén)控方法沒(méi)有影響原有的功能。解決這一困境的自然方案就是設計自動(dòng)化。

在RTL設計流中增加能耗優(yōu)化工具

在采用新的能耗優(yōu)化工具時(shí)，設計團隊要隨時(shí)記著(zhù)幾個(gè)關(guān)鍵考慮。第一，新工具帶來(lái)的電能節省可以補充并累積到現有能耗優(yōu)化工具上，這一點(diǎn)非常重要。第二，為了避免學(xué)習曲線(xiàn)過(guò)長(cháng)并增加腳本開(kāi)發(fā)工作，新工具應該能使用標準的文件格式，并且能夠加入現有的設計流程之中。第三，非常重要的一點(diǎn)是新工具應該提供一個(gè)全面的解決方案，不能在設計流中的其他地方帶來(lái)新問(wèn)題。比如，自動(dòng)識別時(shí)鐘門(mén)控機會(huì )是很有用的，但如果這個(gè)工具不能生成優(yōu)化過(guò)的RTL代碼、并全面驗證所有原有功能都沒(méi)有失效，那它就會(huì )對生產(chǎn)率帶來(lái)負面沖擊。

最近，可以自動(dòng)進(jìn)行識別、在RTL設計中插入并驗證序列時(shí)鐘門(mén)控的商業(yè)解決方案已經(jīng)上市了（圖3）。使用這種自動(dòng)序列時(shí)鐘門(mén)控和驗證工具為視頻密集型便攜式應用帶來(lái)了巨大的節能效果。

這些功能包含在Calypto系統公司的PowerPro CG（時(shí)鐘門(mén)控）及SLEC CG中。PowerPro CG是一款自動(dòng)化的RTL電能優(yōu)化解決方案，經(jīng)驗證它可以帶來(lái)最高達60%的電能節省，同時(shí)對面積和性能影響很小甚至沒(méi)有影響。SLEC CG是一個(gè)序列等效檢測工具，它可以驗證序列時(shí)鐘門(mén)控的優(yōu)化。這些工具補充了現有的低能耗設計工具流，它們可以分析RTL設計中的序列行為，識別出時(shí)鐘門(mén)控機會(huì )，比已有的工具更強大。它們可以讀取標準的、可綜合的Verilog及VHDL RTL代碼，從而可以嵌入到現有的設計流中去。

另外，生成的能耗優(yōu)化的RTL代碼同原來(lái)的帶有額外時(shí)鐘門(mén)控邏輯的RTL設計是一樣的。能耗優(yōu)化的RTL代碼還要使用序列邏輯等效檢測工具進(jìn)行全面的驗證，以確保沒(méi)有帶來(lái)功能上的改變。能耗優(yōu)化的RTL設計可以直接進(jìn)入低能耗綜合，以便擁有下游電能優(yōu)化能力的更多優(yōu)勢。通過(guò)把設計師從繁雜的設計分析、手工修改RTL代碼以及費時(shí)的模擬工作中解放出來(lái)，生產(chǎn)效率和節能