芯片功耗是如何仿真计算的（PTPX为例）
过往的文章我们谈了好多优化功耗的手段，显然，功耗不能等流片以后直接测试芯片功耗。在eda阶段我们就要有办法对功耗进行一个仿真。
这篇文章我们以ptpx为例，讲讲芯片在设计阶段是如何仿真功耗的。
1 常见的标准单元库功耗模型
在讲ptpx之前，先简单讲讲标准单元库的模型。
如上图，实际上电路都可以建模成一个drvier, 一个receiver, 以及中间的传输路径。
实际上，为了描述上面这个系统，功耗仿真中标准单元库有两种功耗模型：
·nldm (non linear delay model)
·ccs(composite current source)
1）nldm模型
这种模型driver model认为是一个内阻恒定的电压源，receiver model是认为是一个电容，显然，输出电压是时间的线性函数。
我们从输出曲线上也能看到，这种模型其实是比较粗暴地，只要三个点就能确定。在65nm以下很不精确，所以我们有了ccs模型。
2）ccs模型
这种模型是synopsys提出的。提高了精确度。driver model变成了一个非线性的符合电流源，电流随电压和时间变化。receiver model变成了两个电容的并联。
得到的大致曲线如下图。
实际上，ptpx两种模型都支持，一般先进工艺在标准单元库中要提供ccs模型的曲线。
2 功耗是如何计算的
对功耗模型有了一个大致了解以后，我们继续搞明白ptpx计算功耗的原理。ptpx的功耗是分部计算的。
功耗主要是有leakage power和dynamic power两部分组成的。
1）leakage power
我们先说这个，leakage power。leakge power顾名思义，到处漏掉的电流。
主要分析起来，有两种
·intrinsic leakage power, 源极和漏极之间的漏电流。上图中，电流i1,i2,i3都算。
·gate leakage power，栅极和源漏之间的漏电流。上图i4算gate leakage power。评论区有专业人士说这个很小，看了一下ptpx breakdown的值，确实不大。应当可以忽略。
这些静态功耗的参数，都要写在lib文件中，供ptpx调用，直接拟合曲线即可。
2）dynamic power
动态功耗，主要也是两种：
switching power。如上图蓝线，这个也容易理解，我们要驱动电路，这个cl电容是要充放电的。这个充放电的功耗就是switching power。
上面的公式中c是负载电容，v是电压，f是翻转频率。应当好理解。有时候f也会被写成a*f, 翻转率乘以频率。
internal power。如上图绿线，这个表现在零一切换的时候两端晶体管同时导通时，有个短路电流。我们称之为internal power.
显然，直接等于短路电流乘以电压。
同样，lib会直接提供必要的参数，供ptpx来计算动态功耗。
3）功耗计算小结
我们看上面这张反向器的图。上面四种功耗都有
·leakage power
·intrinsic leakage power, 图中ilk电流造成的功耗。
·gating leakge power, 图中igl电流造成的功耗。
·dynamic power
·switching power, 图中isw造成的功耗。用于充放电容。
·internel power. 图中isc造成的功耗。其实就是短路电流造成的功耗。
至此，你应该能看懂ptpx功耗报告中各部分功耗是怎么来得。
3 ptpx的工作流程
知道了ptpx计算功耗的类型，接下来我们大致讲讲，ptpx的处理流程。
总结起来主要8个步骤。
·step0: 使能功耗仿真，就是个开关，总要打开的。
·step1: 选择仿真模式。ptpx有两种功耗仿真模式。一种是算平均功耗（averaged）, 另一种是根据波形详细算（time_based）, 这两种模式具体怎么算我们后面详细讲。
·step2: 读入设计数据和库文件。其实主要是两部分，网表文件(verilog,.v)和库文件（synopsys database,.db, 提供nlpm或者ccs模型）
·step3: 设置仿真条件。主要是仿真温度和电压。ptpx根据温度和电压，根据db文件中提供的参数来计算功耗。
·step4: 指定翻转率数据。这个地方，average模式和time_based模式提供的文件有区别。后面我们详细讲这两种模式下怎么提供文件。
·step5: 这一步提供一些额外仿真设置，按需设置，没什么特殊的。
·step6: update power。真正开始跑仿真。
·step7: report_power。将报告报出来。
4 总结
这篇文章讲了功耗仿真的第一部分，包括了功耗模型、功耗计算方法、ptpx的基本流程。
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如上图，实际上电路都可以建模成一个drvier, 一个receiver, 以及中间的传输路径。
实际上，为了描述上面这个系统，功耗仿真中标准单元库有两种功耗模型：
·nldm (non linear delay model)
·ccs(composite current source)
1）nldm模型
这种模型driver model认为是一个内阻恒定的电压源，receiver model是认为是一个电容，显然，输出电压是时间的线性函数。
我们从输出曲线上也能看到，这种模型其实是比较粗暴地，只要三个点就能确定。在65nm以下很不精确，所以我们有了ccs模型。
2）ccs模型
这种模型是synopsys提出的。提高了精确度。driver model变成了一个非线性的符合电流源，电流随电压和时间变化。receiver model变成了两个电容的并联。
得到的大致曲线如下图。
实际上，ptpx两种模型都支持，一般先进工艺在标准单元库中要提供ccs模型的曲线。
2 功耗是如何计算的
对功耗模型有了一个大致了解以后，我们继续搞明白ptpx计算功耗的原理。ptpx的功耗是分部计算的。
功耗主要是有leakage power和dynamic power两部分组成的。
1）leakage power
我们先说这个，leakage power。leakge power顾名思义，到处漏掉的电流。
主要分析起来，有两种
·intrinsic leakage power, 源极和漏极之间的漏电流。上图中，电流i1,i2,i3都算。
·gate leakage power，栅极和源漏之间的漏电流。上图i4算gate leakage power。评论区有专业人士说这个很小，看了一下ptpx breakdown的值，确实不大。应当可以忽略。
这些静态功耗的参数，都要写在lib文件中，供ptpx调用，直接拟合曲线即可。
2）dynamic power
动态功耗，主要也是两种：
switching power。如上图蓝线，这个也容易理解，我们要驱动电路，这个cl电容是要充放电的。这个充放电的功耗就是switching power。
上面的公式中c是负载电容，v是电压，f是翻转频率。应当好理解。有时候f也会被写成a*f, 翻转率乘以频率。
internal power。如上图绿线，这个表现在零一切换的时候两端晶体管同时导通时，有个短路电流。我们称之为internal power.
显然，直接等于短路电流乘以电压。
同样，lib会直接提供必要的参数，供ptpx来计算动态功耗。
3）功耗计算小结
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·leakage power
·intrinsic leakage power, 图中ilk电流造成的功耗。
·gating leakge power, 图中igl电流造成的功耗。
·dynamic power
·switching power, 图中isw造成的功耗。用于充放电容。
·internel power. 图中isc造成的功耗。其实就是短路电流造成的功耗。
至此，你应该能看懂ptpx功耗报告中各部分功耗是怎么来得。
3 ptpx的工作流程
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总结起来主要8个步骤。
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·step1: 选择仿真模式。ptpx有两种功耗仿真模式。一种是算平均功耗（averaged）, 另一种是根据波形详细算（time_based）, 这两种模式具体怎么算我们后面详细讲。
·step2: 读入设计数据和库文件。其实主要是两部分，网表文件(verilog,.v)和库文件（synopsys database,.db, 提供nlpm或者ccs模型）
·step3: 设置仿真条件。主要是仿真温度和电压。ptpx根据温度和电压，根据db文件中提供的参数来计算功耗。
·step4: 指定翻转率数据。这个地方，average模式和time_based模式提供的文件有区别。后面我们详细讲这两种模式下怎么提供文件。
·step5: 这一步提供一些额外仿真设置，按需设置，没什么特殊的。
·step6: update power。真正开始跑仿真。
·step7: report_power。将报告报出来。
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