時(shí)鐘門控效率是低功耗設(shè)計(jì)早期階段極具價(jià)值的可量化指標(biāo)，使用英諾達(dá)的EDA工具進(jìn)行功耗優(yōu)化并獲取RTL修改建議，讓功耗優(yōu)化不再是“玄學(xué)”。

對芯片工程師來說，在RTL階段進(jìn)行功耗估算是一項(xiàng)艱巨的工作，如同盲人摸象一般，只能基于有限的信息和不完整的模型去感知功耗的“全貌”，而功耗優(yōu)化就更難了，面對龐大的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從何下手？如何才能找到一個(gè)清晰、可量化的指標(biāo)呢？

本文將介紹在低功耗設(shè)計(jì)早期階段極具價(jià)值的可量化指標(biāo)——時(shí)鐘門控效率（Clock Gating Efficiency）。它不僅是評估RTL代碼質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，更是指導(dǎo)工程師進(jìn)行功耗優(yōu)化的重要方法。

時(shí)鐘門控效率：早期功耗優(yōu)化的可靠抓手

在芯片設(shè)計(jì)的RTL階段，許多功耗相關(guān)的指標(biāo)（如線網(wǎng)電容等）都難以精確量化。然而，時(shí)鐘門控效率卻是一個(gè)可量化、可追蹤、且與最終功耗高度相關(guān)的少數(shù)指標(biāo)之一。

芯片中連接觸發(fā)器的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)會(huì)持續(xù)翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大量動(dòng)態(tài)功耗。時(shí)鐘門控技術(shù)在時(shí)鐘路徑上添加一個(gè)“開關(guān)”（時(shí)鐘門控單元）。當(dāng)觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端沒有變化時(shí)，這個(gè)開關(guān)會(huì)切斷時(shí)鐘信號，阻止其無謂翻轉(zhuǎn)。而時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是功耗大戶，因此這也是降低功耗最有效的手段之一。

在修改RTL代碼或使用優(yōu)化工具后，只要時(shí)鐘門控效率得到提升，那么最終測得的動(dòng)態(tài)功耗值幾乎必然呈現(xiàn)下降趨勢，為工程師提供了一條明確的優(yōu)化路徑。

三大核心指標(biāo)：直觀、簡單、高效

業(yè)內(nèi)雖然存在多種評估方法，但以下三個(gè)指標(biāo)因其直觀、簡單、有效而被廣泛采用：

1.靜態(tài)時(shí)鐘門控效率(Static Clock Gating Efficiency, SCGE)

該指標(biāo)計(jì)算了設(shè)計(jì)中觸發(fā)器被門控的比例，當(dāng)觸發(fā)器被門控的比例越高，設(shè)計(jì)中時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)浪費(fèi)的功耗越少，因此該指標(biāo)越高越好。同時(shí)，此數(shù)據(jù)不依賴于波形或信號活動(dòng)率，能夠很好地反映RTL設(shè)計(jì)中觸發(fā)器的門控情況。

2.動(dòng)態(tài)時(shí)鐘門控效率(Dynamic Clock Gating Efficiency, DCGE)

該指標(biāo)計(jì)算了時(shí)鐘信號被門控的周期個(gè)數(shù)占比，當(dāng)被門控的時(shí)鐘周期越多，那么無效的翻轉(zhuǎn)就越少，從而達(dá)到節(jié)約功耗值的目的。DCGE越高，說明在當(dāng)前工作場景下，時(shí)鐘門控的收益越大。

3.數(shù)據(jù)感知時(shí)鐘門控效率(Data-aware Clock Gating Efficiency, DACGE)

數(shù)據(jù)感知時(shí)鐘門控效率在動(dòng)態(tài)時(shí)鐘門控效率的基礎(chǔ)上，考慮了觸發(fā)器D引腳的翻轉(zhuǎn)周期，從而更綜合的考慮了觸發(fā)器輸入的影響。

這三個(gè)指標(biāo)并非全部，但它們是最直觀、簡單、有效的優(yōu)化手段。每一個(gè)被門控的觸發(fā)器都有各自的DCGE和DACGE，同時(shí)整個(gè)設(shè)計(jì)也有平均的SCGE、DCGE和DACGE，以供設(shè)計(jì)者更好了解每一個(gè)觸發(fā)器的門控效率。DCGE和DACGE依賴于信號活動(dòng)率，在不同的信號活動(dòng)率具有不同的門控效率。

如何優(yōu)化三大指標(biāo)？

理解了指標(biāo)，下一步是如何提升它們。這需要區(qū)分兩種不同的工具流程：

1.邏輯綜合

EDA綜合工具一般可以完成基礎(chǔ)優(yōu)化，其目的是為保證優(yōu)化后的電路與原始設(shè)計(jì)在邏輯上等價(jià)（LEC），在綜合階段通過解開電路中帶MUX的邏輯環(huán)路，并插入門控時(shí)鐘單元而達(dá)到門控的目標(biāo)。

2.進(jìn)階優(yōu)化

專門的功耗優(yōu)化工具可以處理綜合工具不會(huì)察覺的功耗優(yōu)化機(jī)會(huì)。如上圖，專門的功耗優(yōu)化工具通過分析電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，識別出當(dāng)數(shù)據(jù)路徑被多路選擇（MUX）信號旁路時(shí)，該路徑上的信號翻轉(zhuǎn)是無效的，會(huì)造成功耗浪費(fèi)。工具利用MUX的控制信號狀態(tài)，判斷并生成門控邏輯，以關(guān)閉相關(guān)路徑上觸發(fā)器的時(shí)鐘信號，從而發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)綜合工具無法捕捉的門控機(jī)會(huì)，進(jìn)一步提升時(shí)鐘門控效率，實(shí)現(xiàn)更深層次的功耗優(yōu)化。

當(dāng)然，這只是眾多優(yōu)化方式中的一種，電路中還存在著其他豐富的優(yōu)化機(jī)會(huì)等待探索。

從分析到優(yōu)化: 英諾達(dá)ERPA與ERPE的協(xié)同作戰(zhàn)

時(shí)鐘門控效率不是一個(gè)新概念，但它在設(shè)計(jì)早期階段的指導(dǎo)價(jià)值常常被低估。通過英諾達(dá)的ERPA（RTL級功耗分析工具）和ERPE（低功耗設(shè)計(jì)優(yōu)化工具），工程師可以將這一優(yōu)化流程融入到設(shè)計(jì)里：

英諾達(dá)ERPA與ERPE在RTL階段的功耗探索流程

功耗診斷

英諾達(dá)的ERPA是用于早期功耗水平評估的EDA工具，通過自研的綜合引擎，在讀入RTL代碼后，會(huì)自動(dòng)處理時(shí)鐘門控電路插入流程，提高時(shí)鐘門控效率的各個(gè)指標(biāo)，工程師可以查看每個(gè)觸發(fā)器以及整個(gè)設(shè)計(jì)層面的指標(biāo)結(jié)果，從而分析RTL代碼中可以優(yōu)化的點(diǎn)。

功耗調(diào)優(yōu)

ERPE工具是功耗優(yōu)化的引擎，通過更復(fù)雜的邏輯去探索電路結(jié)構(gòu)，從而找到綜合工具無法發(fā)現(xiàn)的，更深層次的門控機(jī)會(huì)。這款工具不僅可以列出所有門控的觸發(fā)器信息，更會(huì)提供RTL代碼修改建議，預(yù)測修改后的時(shí)鐘門控效率變化，以及預(yù)測功耗的節(jié)約值。

如下圖，為ERPE工具優(yōu)化RTL代碼后的結(jié)果，綜合后的觸發(fā)器個(gè)數(shù)為64，且DCGE以及SCGE的值為0，表示綜合過程找不到任何時(shí)鐘門控的可能。但通過ERPE工具對代碼優(yōu)化后，將SCGE以及DCGE的結(jié)果提升到了100%，同時(shí)整體功耗下降了90.26%。

report_clock_gating打印結(jié)果

report_sequential_enable打印結(jié)果

時(shí)鐘門控效率是低功耗設(shè)計(jì)早期階段極具價(jià)值的可量化指標(biāo)，掌握時(shí)鐘門控效率，可以高效地降低功耗。從使用ERPA測量初始的SCGE、DCGE，到利用ERPE進(jìn)行深度優(yōu)化并獲取具體的RTL修改建議，整個(gè)流程環(huán)環(huán)相扣，讓功耗優(yōu)化不再是“玄學(xué)”，而是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)工程實(shí)踐。

關(guān)于英諾達(dá)

英諾達(dá)（成都）電子科技有限公司是一家由行業(yè)頂尖資深人士創(chuàng)立的本土EDA企業(yè)，公司堅(jiān)持以客戶需求為導(dǎo)向，幫助客戶實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化，為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供卓越的EDA解決方案。公司的長期目標(biāo)是通過EDA工具的研發(fā)和上云實(shí)踐，參與國產(chǎn)EDA完整工具鏈布局并探索適合中國國情的工業(yè)軟件上云的路徑與模式，賦能半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。公司的主營業(yè)務(wù)包括：EDA軟件研發(fā)、IC設(shè)計(jì)云解決方案以及IC設(shè)計(jì)服務(wù)。