RISC-V 已迅速成為全球處理器設計和實現(xiàn)領域的領先標準指令集架構（ISA）。與私有架構不同，RISC-V 是一種開放給所有人的處理器設計標準，為行業(yè)帶來了前所未有的創(chuàng)新。RISC-V 的重要性、其對科技行業(yè)的影響在促進科技領域增長和發(fā)展的作用，涵蓋了從小型輕量級處理器到強大高性能處理器的整個計算領域。從跨國公司的深度投資到與初創(chuàng)公司的風險投資合作，從大學課堂到國家層面，RISC-V 正在不斷擴大其市場份額。如今，RISC-V 社區(qū)擁有來自全球 70 個國家和地區(qū)的數(shù)萬名工程師的貢獻。

截至目前，玄鐵已發(fā)布多款產品線，覆蓋從低功耗到高性能的多個應用場景。其中包括為節(jié)能設計、適用于物聯(lián)網(wǎng)設備等領域的 E 系列；實時處理能力和高度可靠性的 R 系列；極致性能表現(xiàn)的 C 系列高端處理器和剛發(fā)布致力于解決多集群間高效互聯(lián)的 XT-link 系列。以 C 系列為例：該系列包含多個分支，包括專注于實現(xiàn)最佳能效比的 C908 處理器，強化人工智能計算能力的 C907 處理器；早期發(fā)布的旗艦級 C910 處理器與后續(xù)升級版本 C920 處理器；后續(xù)即將發(fā)布的更高性能 C930處理器等，每一款產品都有其獨特的市場定位和 PPA 需求。

本文將由玄鐵團隊技術專家寇博華分享關于玄鐵設計與交付在 PPA 優(yōu)化中的實踐：波形激勵在數(shù)字設計功耗優(yōu)化中的全面解析。

寇博華

阿里巴巴達摩院玄鐵團隊技術專家

阿里巴巴達摩院玄鐵處理器設計團隊技術專家；擁有豐富的低功耗設計經(jīng)驗，與前端和后端團隊緊密協(xié)作，專注于優(yōu)化 PPA，并加速設計收斂的進程。

在芯片設計中，功耗、性能和面積（PPA）是衡量產品競爭力的三大關鍵指標。其中，功耗指標直接影響到產品的能效、熱管理和電池壽命。為了優(yōu)化功耗，從架構設計到代碼實現(xiàn)，再到后端實現(xiàn)的每一個環(huán)節(jié)都需要精心打磨。然而，要準確分析和優(yōu)化功耗，正確的波形激勵是不可或缺的。

波形激勵本質上是對設計中每一個信號翻轉信息的描述，它能夠幫助我們理解信號在不同時間點的狀態(tài)變化。只有使用了正確的波形激勵輸入，我們才能獲得有意義的信號翻轉數(shù)據(jù)，進而得到準確的功耗分析結果。本文將深入波形激勵在功耗優(yōu)化中的各個方面，包括波形記錄格式、波形場景定義、波形生成方法以及反標率的確認，旨在為讀者提供全面的技術解析和實用指南。

一 波形的記錄格式

在數(shù)字設計中，信號的翻轉信息是功耗分析的關鍵。通常，信號的翻轉可以通過兩個參數(shù)來描述：toggle rate 和 static probability。

Toggle rate：表示信號在一個時鐘周期內的平均翻轉次數(shù)。如果一個信號的 toggle rate 為 1，表示該信號在每一個時鐘周期都有一次翻轉（即從 0 到 1 或從 1 到 0）。如果 toggle rate 為 0，則表示該信號在整個時間窗口內沒有發(fā)生任何翻轉。對于時鐘信號，由于在一個時鐘周期內會有上升沿和下降沿，所以其 toggle rate 最大為 2。

Static probability：表示一個信號在整個時間窗口中為 1 的占比。例如，如果一個信號在 50% 的時間內為 1，則其 static probability 為 0.5。

信號的翻轉信息通常記錄在特定的波形文件格式中，常見的有 SAIF、VCD 和 FSDB：

SAIF (Switching Activity Interchange Format)：由于僅記錄每個信號在整個時間窗口內的平均翻轉狀態(tài)，即 toggle rate 和 static probability，所以 SAIF 文件僅能用來分析平均功耗。

VCD (Value Change Dump)：以 ASCII 格式記錄信號在每個時鐘周期的具體翻轉變化。VCD 文件可以直接用文本編輯器打開閱讀，但由于其詳細記錄了每個時鐘周期的變化，文件體積較大。

FSDB (Fast Signal Database)：和 VCD 格式一樣， FSDB 文件也記錄了每個時鐘周期信號的變化，但是由于采用二進制格式記錄，雖然不能直接以文本方式打開，但文件體積最小。FSDB 文件可以通過工具腳本轉換成其他格式，如 VCD 或 SAIF。

二 波形場景的定義

在功耗分析過程中，我們需要針對架構功能定義不同的功耗場景。這些場景可以幫助我們評估和分析整體與各個功能的功耗和能效。以下是一些常見的場景介紹：

三 波形的形態(tài)和生成

以下是常用的幾種波形激勵形態(tài)及其生成方法：1. 基于 RTL 的波形激勵

最常見的波形激勵是通過 RTL 驗證前仿生成的。這些波形激勵對應的是 RTL 級別中各個信號的翻轉情況。通過 RTL 仿真，我們可以詳細記錄每個信號在不同時間點的狀態(tài)變化，從而為后續(xù)的功耗分析提供基礎數(shù)據(jù)。

2. 基于網(wǎng)表級別的波形激勵

后仿生成：常規(guī)的網(wǎng)表級波形激勵是通過跑后仿來生成的。如果不帶線（wire）和實例（instance）的延遲信息，得到的后仿波形激勵通常稱為零延遲（zero-delay）波形。另一種需要帶延遲信息的波形稱為 SDF 延遲（sdf-delay）波形。為了獲取延遲信息，后端工具需要抽取寄生參數(shù)，并在時序工具（如PrimeTime）中進行反標，計算出實際的延遲，然后將這些延遲/轉換時間等信息寫入 SDF 文件。跑后仿時可以帶著 SDF 文件生成更準確的波形。

replay 生成：由于后仿通常在項目后期才調通，而我們希望盡早獲得更準確的功耗數(shù)據(jù)，因此在項目中期，當綜合和后端實現(xiàn)完成后，我們會使用 EDA 工具將 RTL 波形、綜合產生的映射文件（mapping file）、SDF 文件以及實際的網(wǎng)表結合，生成一個網(wǎng)表級的波形激勵。

通過這些不同階段的波形激勵生成方法，我們可以在整個設計流程中逐步細化和校準功耗數(shù)據(jù)，確保最終產品的功耗性能達到預期目標。

四 波形的反標率

在將波形的翻轉信息反標到設計（RTL 代碼或網(wǎng)表）上時，確保反標的準確性至關重要。導致反標率低的常見錯誤有：

波形和設計不匹配

層級映射錯誤

MDA 選項未啟用

反標的信息一般分為兩個維度：

在檢查反標率時，有些參考指標是通用的：

Memory：memory macro 上的反標應該100%來自 Activity File。

Primary Input：功能性接口信號應該從 Activity File 來，個別約束可以從 SCA/SSA 來。

而有些則根據(jù)波形和設計的階段有所不同：

RTL波形反標到網(wǎng)表：

在有 mapping file 的情況下，時序邏輯（sequential）大部分需要來自 Activity File。

組合邏輯（combinational）反標率不會太高，所以這部分的功耗與實際值會有明顯差距。

網(wǎng)表級波形反標到對應的網(wǎng)表：所有信號都應該100%來自 Activity File。

通過仔細檢查這些指標和要求，可以確保波形反標操作的準確性和有效性，從而提高功耗分析的精度和可靠性。

五 波形激勵在不同階段的使用

在玄鐵團隊，波形激勵的生成和使用貫穿于整個設計流程的不同階段，以確保功耗優(yōu)化的有效性和準確性：

項目初期：RTL 前仿

在項目的早期階段，我們主要基于 RTL 前仿真生成波形。這些波形用于初步的功耗分析，特別是在分析時鐘動態(tài)門控和存儲器翻轉效率方面。另外，通過使用 RTL 功耗工具讀取這些波形，我們也可以得到功耗數(shù)據(jù)的早期評估，分析潛在的功耗瓶頸。

優(yōu)化中期：RTL 前仿+ Replay

在優(yōu)化的中期階段，我們會選擇具有代表性的波形，提供給后端團隊用于綜合和后端實現(xiàn)，幫助工具更有效地優(yōu)化動態(tài)和靜態(tài)功耗。此外，我們還會使用 replay 工具生成網(wǎng)表級別的零延遲（zero-delay）和帶延遲（sdf-delay）波形激勵。這有助于盡早評估和分析各個場景下更真實的功耗水平，并進行相應的優(yōu)化。

PPA優(yōu)化后期：后仿真

到了 PPA 優(yōu)化的后期，驗證團隊會調通后仿，生成基于后仿真的網(wǎng)表級波形激勵。我們將這些后仿波形與之前通過 replay 機制生成的數(shù)據(jù)進行對比，以獲得最真實的功耗數(shù)據(jù)。這種對比也可以幫助我們驗證前期優(yōu)化的效果。

后續(xù)探索：性能建模與仿真平臺

為了進一步提高功耗分析的準確性和全面性，我們還可以嘗試在更早期基于性能建模產生的信號激勵來進行功耗建模。此外，我們也可以利用 FPGA 和 Emulator 仿真平臺自帶的激勵和功耗分析工具，對更復雜和完整的系統(tǒng)級場景進行功耗分析。這種方法能夠更好地模擬實際工作環(huán)境，從而提供更為精確的功耗數(shù)據(jù)。

六 結 語

玄鐵的每一款產品都有其獨特的市場定位，同時需要滿足不同市場細分下的性能和PPA要求。玄鐵團隊不僅需要面對不同產品線的常規(guī)迭代升級、大規(guī)模的架構升級，還要緊跟上市發(fā)布時間節(jié)點，時間緊任務重，對于PPA快速迭代需求變高。通過這些不同階段的波形激勵使用方法，玄鐵能夠在整個設計流程中持續(xù)優(yōu)化和分析功耗，確保最終產品的高效能和競爭力。