在先進制程芯片設計中，功耗已成為與性能、面積同等重要的設計指標?；诮y(tǒng)一功耗格式（UPF，IEEE 1801標準）的低功耗設計方法，通過標準化語言精確描述電源意圖，結合多電源域控制技術，已成為實現(xiàn)低功耗設計的核心手段。

UPF：低功耗設計的“中央控制器”

UPF的本質(zhì)是構建四層抽象模型：供電網(wǎng)絡（Supply Network）定義電源軌（如VDD_CORE、VDD_IO）及其連接關系；電源域（Power Domain）將邏輯模塊按供電需求分組（如CPU域、外設域）；電源狀態(tài)表（PST）通過有限狀態(tài)機建模不同工作模式（如Active、Sleep）的電壓切換規(guī)則；控制機制則通過隔離單元（Isolation Cell）、電平轉(zhuǎn)換器（Level Shifter）等特殊單元保障跨域信號安全。

以手機SoC為例，其GPU域在高性能模式運行于1.2V，低功耗模式切換至0.8V。通過UPF定義：

tcl

# 定義電壓軌

create_supply_net VDD_GPU -voltage 1.2

create_supply_net VDD_GPU_LP -voltage 0.8

# 創(chuàng)建電源域并綁定供電集合

create_supply_set ss_gpu_hp -primary_supply VDD_GPU

create_supply_set ss_gpu_lp -primary_supply VDD_GPU_LP

create_power_domain pd_gpu -supply {ss_gpu_hp ss_gpu_lp} -elements {u_gpu}

# 定義電源狀態(tài)表

add_power_state ss_gpu_hp -state {ON 1.2} -supply_expr {mode==HIGH_PERF}

add_power_state ss_gpu_lp -state {ON 0.8} -supply_expr {mode==LOW_POWER}

create_pst pst_gpu -supplies {ss_gpu_hp ss_gpu_lp}

該腳本不僅描述了電壓切換規(guī)則，還通過PST確保狀態(tài)遷移的合法性，避免工具誤操作。

多電源域控制：從理論到實踐

多電源域的核心挑戰(zhàn)在于跨域信號管理。以系統(tǒng)域（常開域）與CPU域的交互為例：

隔離單元（ISO）：當CPU域關閉時，其輸出信號可能進入不定態(tài)（X態(tài)），導致系統(tǒng)域誤觸發(fā)。通過UPF插入ISO單元：

tcl

set_isolation -domain pd_cpu -applies_to outputs -isolation_cell ISO_CELL -location parent

該命令在CPU域輸出端口插入ISO單元，由系統(tǒng)域控制其使能信號，確保CPU域關閉時輸出恒定邏輯值。

電平轉(zhuǎn)換器（LS）：不同電壓域間信號需通過LS進行電平匹配。UPF支持自動插入規(guī)則：

tcl

set_level_shifter -domain pd_cpu -applies_to inputs -rule auto -location automatic

工具根據(jù)PST自動選擇高到低（H2L）或低到高（L2H）轉(zhuǎn)換器，并優(yōu)化布局位置以減少時延。

電源開關（PSW）：實現(xiàn)動態(tài)電源門控（Power Gating）。例如，通過UPF定義CPU域的電源開關：

tcl

create_power_switch SW_CPU -domain pd_cpu \

 -input_supply_port {in VDD_CORE} \

 -output_supply_port {out VDD_CPU} \

 -control_port {sleep_ctrl} \

 -on_state {sleep_ctrl==0} \

 -off_state {sleep_ctrl==1}

map_power_switch SW_CPU -lib_cells {PSW_LIB_CELL}

該開關在sleep_ctrl為高時切斷CPU域供電，降低漏電流。

驗證與優(yōu)化：閉環(huán)設計流程

UPF的驗證貫穿設計全流程：

靜態(tài)檢查：通過VCLP工具驗證電源域連通性、隔離信號有效性及PST覆蓋率。

動態(tài)仿真：在VCS中啟用-power_aware選項，模擬電源狀態(tài)切換時的信號行為。

形式驗證：對比RTL與網(wǎng)表的電源意圖一致性，確保綜合和物理實現(xiàn)未引入偏差。

某5G基帶芯片項目通過UPF實現(xiàn)多電源域控制后，休眠模式下功耗從120mW降至8mW，驗證覆蓋率達99.7%，顯著提升設計質(zhì)量。

未來趨勢：UPF的智能化演進

隨著AI與異構計算的發(fā)展，UPF正向智能化方向演進：

機器學習輔助優(yōu)化：通過訓練數(shù)據(jù)預測最佳電源域劃分和電壓配置。

實時電源管理：結合傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整電源狀態(tài)，實現(xiàn)“按需供電”。

跨層級協(xié)同：與物理設計工具深度集成，優(yōu)化IR Drop和時序收斂。

掌握UPF，不僅是掌握一種工具，更是掌握芯片低功耗設計的核心方法論。從電源意圖描述到多電源域控制，UPF正在重新定義低功耗設計的邊界。