統一功率格式 (UPF) 是 Synopsys、Mentor Graphics以及 Magma 支持的功率意圖 (power intent) 規范格式，同時也是 Cadence 所支持的通用功率格式 (CPF) 的主要競爭者。

作者：ARM Ltd 的 John Biggs、LSI 的 Gary Delp、Mentor Graphics 的 Steve Bailey、Synopsys的 Kevin Kranen、德州儀器的 Rolf Lagerquist 以及德州儀器 RTC 產品部的 Minh Chau

在過去 6~8 年里面，引起高度重視的全球能源與氣候危機在數個主要市場催生出了所謂的“綠色”技術計劃，其中較突出的領域當數信息技術產業。半導體組件功耗提出了嚴峻的技術挑戰，其中包括：功耗達數百兆瓦的兆服務器群、消費類手持設備以及低于 45 納米半導體工藝節點的物理器件縮放。因此，人們開始認識到：“默認關閉”可能會成為新一代半導體設計實踐的靈魂。

在半導體設計領域，默認關閉的理念是：如果片上系統 (SoC) 組件的某個子模塊未主動處理數據，則應當參照 SoC 的電網“關閉”該子模塊。對于“高端”電源管理的 SoC (PM-SoC) 而言，默認關閉工程任務就意味著需要創建眾多電源域以及一系列專用的、迄今未知且有待探索的節能技術。

芯片設計人員在節能方面發揮的余地并不像 SoC 架構設計工藝盛行的 IP 內核再利用那么大。90% 的 SoC 可能都是 IP 再利用產品，這或許是再平常不過的事情。在性能、功能以及就本文而言的功率需求等方面各具特色的應用市場中，各種組件都集成了 IP 內核。與 PM-SoC 相關的、日益復雜的電源復雜性已經引起了行業重視，也產生了對諸如統一功率格式 (UPF) 與通用功率格式 (CPF) 等標準化功率意圖規范格式的需求。

在指定 PM-SoC 的功率意圖時，半導體設計與驗證團隊會意識到隨 PM-SoC 的 RTL 規范一起處理的功率意圖規范附屬文件的重要性。電源管理與功率意圖對 SoC 設計與制造過程的每個階段都會產成微妙的影響。制造過程無法消除半導體設計復雜性，而且也沒有采用任何當前或過去的 EDA 手段逃避功率意圖規范創建的、普遍方法的影響力。組件制造商深知其設計團隊的 EDA 方法流程取決于幾個主要 EDA 供應商。正是電源管理普遍性產生的方法影響力迫切期待整個行業制定標準化功率意圖格式規范。

EDA 行業在半導體技術發展過程中取得的成功源于 EDA 供應商與組件制造商的創新與合作。芯片公司需要重要接口的互操作性以及 EDA 供應商提供的價值鏈，以實現其公司需求的定制化 EDA 軟件組合。

相對于目前每種組件已經超過 2500萬美元的SoC整體研發成本，目前的 45 納米、32 納米以及 22 納米 EDA 方法流程仍然處于初期階段。組件公司必須考慮采用缺乏廣泛 EDA 行業支持的“專有技術標準”所帶來的商業風險。依附于某種依賴一家 EDA 公司提出的非開放性、“受控”規范的單一芯片設計參考流程會給芯片執行與管理人員帶來不必要的商業與工程風險。

半導體行業的主要組件制造商通過與 Accellera 合作，啟動了功率意圖的開放標準化工作，并產生了統一功率格式 (UPF) 1.0 標準。在 Accellera UPF 1.0 標準得到批準之后，IEEE 批準成立了標準化委員會以制定 P1801 (UPF 2.0) 功率意圖標準，作為 Accellera UPF 1.0 標準的演進。

所有功率意圖格式標準化的重要方面均體現在半導體行業眾多公司的集體參與。就此而言，UPF 標準得到了 EDA 四巨頭中三家的支持：Synopsys、Mentor Graphics 以及 Magma Design Automation。與 EDA 廠商認可 EDA 標準同樣重要的是，工程設計界對標準的接納可以決定相關標準的有效性、質量以及使用期限。截至本文件付梓時，就 UPF EDA 支持者所知，已經有大約 70% 的主要半導體公司計劃在其組件設計流程中采納 UPF。從半導體代工廠角度來看，TSMC、Common Platform（IBM、三星與 Chartered）以及 UMC 目前均已經開始實施業經驗證的 UPF 1.0 代工廠流程。

UPF 1.0 標準為在隔離、電平變換與保持策略方面采用面向電源域中心語法(power-domain-centric syntax) 的功率意圖規范打下了堅實的技術基礎。UPF 針對電源域范圍及限度的抽象與定義所提供的電源域高靈活性可為復雜邏輯層次中的設計元素劃分提供簡明語義。

圖 1、圖 2 與圖 3 分別針對相關 UPF 代碼段說明電源域范圍與限度方面的電源域元素包容進展。其中說明了連續與非連續電源域概念。電源域復雜性逐步增加的后續圖形采用了 UPF 命令文件 upf_a、upf_b 以及 upf_c。相關示例講解了設計人員在為原有 SoC 子系統設計功率監控架構 (power-aware architecture) 時遵循的流程。示例由以下部分組成：嵌入式處理器內核 (UP)、DMA 引擎 (DMA)、具有發送 (XMT) 與接收 (RCV) 實例的 MAC (MAC) 以及接收緩沖器存儲器 (BFR)。

功率監控設計約束條件可以粗略定義，以便通過在 MAC 通信子系統中應用電源關斷 (PSO) 降低 SoC 功耗。圖 1 中，upf_a 用于設定設計元素 UP 的相關范圍，以便創建“頂部”電源域。第二個 set_scope 命令將范圍在邏輯層次中降低一個等級——降至設計元素 MAC，從而使用第二個 create_power_domain 語句創建 PD_1。PD_1 的create_power_domain 語句只需一個 –include_scope 選項即可捕獲第 4 行注釋所識別的所有元素。

設計元素 UP 與 DMA 仍然保留在頂部電源域。create_supply_net 與 create_supply_port 用于在邏輯層次 UP 創建顯式供電電網 (supply net) 與端口，同時可在 PD_1 區域為相關元素（MAC、RCV、XMT 與 BFR） 創建邏輯層次內的隱式供電電網與端口。此時，再次進行電源分析可能就會發現功耗降低了 20%，但這還沒有達到較佳效果。

在接下來的優化中，設計人員認識到發送模塊 XMT 在處于與 MAC 接收機不同情況下時應當是“打開”的。此外，DMA 的數據傳輸與 MAC 的 XMT 功能息息相關，因此 DMA 與 XMT 實例可以采用相同的電源管理。為此，圖 2 中 upf_b 逐步在 upf_a 中添加一個 set_scope 命令與一個 create_power_domain 命令，可以創建電源域 PD_2。upf_b 利用第三個 set_scope 命令將范圍提高一個等級，從而可以捕獲用于包含到 PD_2 中的元素 UP/DMA，同時利用 –elements 參數從 PD_1 提取元素 UP/MAC/XMT。

設計元素 UP 仍然保留在頂部電源域。應當采用 create_supply_net 與 create_supply_port 命令在邏輯層次級別的 UP 創建顯式供電電網與端口。然后在邏輯層次內為 PD_2 創建隱式供電端口連接，以實現元素 DMA 與 XMT 之間的供電電網連接。由于 PD_2 的非連續性屬性使隱式供電端口連接需要經過 PD_1 的邏輯層次。通過電源分析，設計人員發現較初的功耗又降低了 10%。

在較后優化中，設計人員發現在 UP 斷電時可以關閉存儲器緩沖器。因此，圖 3 在 upf_b (upf_c) 基礎上可利用較后一個 create_power_domain 語句創建一個雙元素、非連續電源域 PD_3。采用 upf_c 可以通過 –elements 參數從 PD_1 提取元素 UP/MAC/BFR，與此同時，也可結合 -include_scope 參數的使用在邏輯層次中封裝頂部元素 A。

頂部電源域不再包含任何設計元素。在明確創建供電電網與端口時，與 PD_1和PD_2 一樣，此時在 PD_1 的邏輯層中為 PD_3 引入另外一組隱式供電端口連接。較終電源優化分析表明較初的功耗可進一步降低 10%。

在較終分析中，設計人員通過逐步采用 UPF 約束、在不對傳統設計 IP 進行任何 RTL 修改情況下使較初 SoC 子系統的功耗降低了 40%。從上例可以看出，采用 UPF 功率意圖附加文件并結合 UP SoC IP RTL，可以輕松將 UP IP 移植到可能具有不同電源要求的其他 SoC 目標市場。

IP 再利用與 SoC 集成對當前及未來具有重要意義，這將使 UPF 1.0 開發人員對分離功率意圖規范與實施產生濃厚興趣。由于允許 IP 內核執行獨立的 UPF 功率意圖實施，設計架構師能夠在芯片架構開發前期制定功率意圖。

在 UPF 1.0 提供完備功率意圖語義的同時，IEEE P1801 (UPF 2.0) 標準可通過 load_simstate_behavior 與 set_simstate_behavior 命令擴展仿真建模的功率意圖命令集。采用 UPF 2.0 供電電平的延伸定義（正如 PARTIAL_ON、UNDETERMINED、FULL_ON 或 OFF 語義定義的那樣），可以對 low-Vdd-standby的仿真行為進行有效建模。引入了新的電源狀態定義，用于定義電源組的仿真狀態，如：CORRUPT_ON_ACTIVITY、CORRUPT_STATE_ON_ACTIVITY 與 CORRUPT_STATE_ON_CHANGE，從而可提高 RTL 功率監控仿真行為的精確度。

UPF 的命令分層或優化語義使 IP 供應商能夠指定執行哪些部分的功率意圖抽象，且無需擔心具體實施細節。UPF 命令分層可以針對通用 IP 內核的垂直市場應用制定可重復利用、獨立于技術的 UPF 規范。IP 用戶／實施方可以提供附加優化規范，如：use_interface_cell，可以針對特定電源管理架構或技術庫描述功率意圖規范的實施方式。

UPF 2.0 通過增加電源組概念擴展了 UPF 1.0 的抽象與優化功能。利用預定義或占位符電源組句柄增強了功率意圖優化功能。采用電源組可以將供電電網整合到預定義的主電軌、電源電軌、default_retention 以及 default_isolation 電軌。關聯命令 associate_supply_set 為電源組參考提供句法間接模式 (syntactic indirection)，可以為預定義電源組函數（如：power、ground、pwell 或 nwell 指示）創建附加電軌參考。另外還可定義定制供電電網函數。UPF 2.0 中的電源組抽象概念可定義用于復雜功率意圖層級的隱式與自動連接語義的基礎功能。

請考慮以下實施／優化情景：

1. UPF 約束

在不規定相關方式的情況下，IP 供應商應確定隔離哪些東西：

set_isolation my_iso -domain my_pd \

-clamp 0

2. UPF 配置

系統級仿真需在無需詳細說明電源的情況下配置邏輯電源控制：

set_isolation my