基于 VCS-NLP 的动态低功耗仿真验证介绍

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简单记录下基于 VCS NLP 的动态低功耗验证仿真与 Debug 相关内容。

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1. 低功耗仿真是什么

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  低功耗仿真（Low Power Simulation, LPS）是指对做了低功耗设计的芯片进行低功耗相关功能的仿真验证。低功耗仿真通常包括静态仿真和动态仿真，通过低功耗仿真，能够提前发现低功耗相关设计缺陷并减少返工。

1.1 低功耗技术

  在低功耗仿真之前需要搞清楚低功耗技术有哪些。以下几篇文章介绍得挺好：

• 数字IC（SoC）低功耗设计方法总结
• 低功耗设计方法 (1) 功耗构成和类型
• 低功耗设计方法 (2) 系统与架构级低功耗设计
• 低功耗设计方法 (3) RTL级低功耗设计

  总结下来，常用的低功耗技术有：

• 静态低功耗技术
  • 多阈值工艺（Multi-Vt Design）
  • 门控电源（Power Gating）
  • 体偏置（Body Bias）
• 动态低功耗技术
  • 多电压阈（Multi-Voltage Domain）
  • 预计算
  • 门控时钟（Clock Gating）
• 门级优化技术
  • 毛刺的消除
  • 逻辑级优化
  • 物理级优化
  • 控制输入向量
• RTL级的一些低功耗设计方法
  • 并行结构与流水结构
  • 资源共享与优化编码
  • 操作数隔离

1.2 UPF 简介

  芯片设计中，为了实现低功耗设计意图，各家有各家的方法。Synopsys 采用统一电源格式 (Unified Power Format, UPF) 文件来描述芯片设计中的低功耗设计意图。关于 UPF 的语法及使用我们不作介绍，可以参考 Synopsys NLP 文档，或参考以下几篇文章：

• Lower power design & UPF 学习
• VCS Native Low Power (NLP) (synopsys.com)
• 低功耗验证(一) CMOS基础，功耗分类，低功耗方法
• 低功耗验证(二）UPF，低功耗流程，VCS NLP
• 低功耗和UPF介绍
• 低功耗设计——基于UPF进行设计

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2. 低功耗验证验什么

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  为了实现低功耗，设计了什么我们就验什么。对于前端验证而讲，我们更关注动态低功耗技术。在仿真的时候，我们较多关注的地方有：

1. 电源网络描述是否正确
   • 电压域 (Power Domain) 划分是否正确，供电电压是否正确。
   • 电压域边界的供电端口 (Supply Port) 是否正确，供电网络 (Supply Ner) 连接是否正确。
   • 电源开关 (Power Switch) 的输入、输出及使能信号是否正确。
2. 电源状态表 (Power State Table, PST) 覆盖率，是否覆盖全，是否出现了非预期的状态切换
3. 低功耗单元实现是否正确。
   • 隔离 (Isolation) 单元，确保钳位值（Clamp Value）正确，尤其是防止 Power Off Domain 传播 X/Z 或非预期的值到 Power On Domain。
   • 电压转换 (Level Shifting)单元。信号在不同电压域之间传播时需要做电压转换，要确保是否有做，转换方向是否正确。
   • 寄存器保持 (Retention) 单元。有些寄存器需要在 Power Off 后保持原来的值，应采用保持寄存器。
   • 电源开关单元。
4. Power Sequence。Power Sequence 一般是 DV 根据 Power Spec 的要求在 tb 里写的，确保按照该顺序能够正常上下电及正常工作。要确保 PMU 中的 FSM 完全遍历，且能够从不同的 Sleep Mode 唤醒。
5. 其他
   • Power Domain 上下电、Free-run clock 等的断言
   • 形式验证

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3. 低功耗仿真流程

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  VCS 提供了 VC LP (Low Power) 及 NLP (Native Low Power) 这两个工具分别来做静态低功耗检查及动态低功耗仿真。我们只看下基于 VCS NLP 的动态低功耗仿真流程。

  VCS NLP 集成了低功耗仿真的功能，能够与 VCS 协同仿真，只需要采用以下方式来指定 UPF 文件即可实现带 UPF 的低功耗仿真：

vcs -upf <upf_file>

3.1 常用 FLow

  有两种常用的低功耗仿真 Flow：一种是传统的 UPF-prime Flow，该 Flow 需要设计人员在不同阶段提供 3 个不同的 UPF；另一种是 Synopsys 推荐的 Golden UPF Flow，该 Flow 只需要在最开始提供一个能够在前仿和门仿中复用的 Golden UPF。两种 Flow 流程图如下图所示。Golden UPF Flow 详查文档：Golden UPF Flow Application Note。可复用的 Golden UPF 写法参考：Writing Reusable UPF For RTL And Gate-Level Low Power Verification。

▲ 图 1：UPF-Prime (Traditional) and Golden UPF Flows

  总结一下，按照时间顺序，低功耗仿真分为以下几个阶段：

1. RTL+UPF。此时 RTL 为逻辑综合前的 RTL， RTL 还没有插入 Low Power Cell (Isolation, Retention, Level Shifter, Power Switch 等) 和 PG (Power & Ground) Pin，VCS 根据 UPF 插入虚拟 Cell 和 Net。此时的低功耗仿真采用的 RTL 中具备 Power Supply Port 和 Power Domain，采用了具备电源信息的模拟硬核（Hard Macro），具有 X-Propagation 特性，更贴近门仿结果。

2. netlist+UPF’。此时采用 DC 逻辑综合后的门级网表，已经插入了部分 Low Power Cell (Isolation, Retention, Level Shifter)，尚未插入 PG 和 Power Switch 。采用的 UPF 为逻辑综合后生成的 UPF’。此步骤非必须，看项目需求。

3. netlist+UPF’’ 及 PG Netlist。此时采用物理实现后的门级网表。一般来讲没必要用 VCS NLP 带 UPF’’ 跑仿真，PG Netlist 里已经包含了各种 Low Power Cell、PG Pin 等 Power Aware 相关供电网络，直接用 vcs 跑 PG Netlist 即可 (不带 UPF)。

3.2 仿真具体步骤

1. 找 DE/FEINT 要到 UPF 文件。

2. 在 TB 中对 DUT 按照上下电顺序及时序开关电源。一般采用 UPF package 的 supply_on、supply_off 函数给指定端口供电，可以在 initial 块内也可以在 always 块内。示例如下：

   // 必须 import UPF:* 才能调用 supply_on, supply_off 函数
   import UPF::*;
   initial beign// Hierarchy 用 ‘/’ 而非 ‘.’，错用不报 Error 报 Warningsupply_on("VDD", 1.1); supply_on("VSS", 0);
   end
   

3. 在 UPF 中设置设计属性。

   • 该 UPF 通常为 DV 自己新建的 UPF，编译时采用的 UPF 也为该 UPF。该 UPF 中将 DE/FEINT 提供的 UPF load 进来，便于添加自定义的设计属性。

     load /xxx/xxx/de_feint.upf
     

   • 设置 initial 块的 SNPS_reinit。initial 块常见于 PHY 等 Simulation Behavior Model 内，且 Model 分为带 PG 和不带 PG 两种（独立文件或 macro 隔离）。默认情况下 initial 块默认只执行一次，为确保某 Power Domain 内的 initial 块在 Power ON-OFF-ON 之后能够重新执行，需要在 UPF 内开启 initial 块的 reinit。示例如下：

     set_design_attributes -attribute {SNPS_reinit TRUE} \
     -models {model1 model2 model3} -transitive TRUE
     // 设置 -transitive TRUE 后，其他模块相关属性默认为 FALSE。
     

   • 对 ROM 等不受 UPF 掉电影响的模块设置 UPF_dont_touch，确保其 Always On。

     set_design_attributes -attributes {UPF_dont_touch TRUE} \
     -models {model1 model2 model3}
     

   • 其他设计属性

4. vcs 编译，根据实际情况添加 vcs 编译选项

   • -upf <upf_file> 指定低功耗仿真所用的 UPF 文件路径（必须）。这样 VCS 在编译的时候会自动调用 NLP 工具。
   • 指定 Power Top（必须）。一般将 tb top 作为一个 always on 的 power domain 作为 Power Top。指定 Power Top 的两种方式：
     • 通过 vcs 编译选项 -power_top <top_module_name> 指定；
     • 或在 UPF 中通过 set_design_top <tb/dut> 指定 Power Top。
   • -power 指定相关 vcs 编译选项（可选），可多次叠加指定，有两种形式：-power=<opt1>+<opt2>+… 或 -power=<opt1> -power=<opt2>。较为常用的选项有：
     • -power=accurate，跳过插入虚拟 Isolation Cell。
     • -power=attributes_on，开启 vcs_reinit，vcs_dont_reinit，vcs_always_on，vcs_dont_trigger_on_wakeup 属性。
     • -power=cov_pst，开启 PST 覆盖率收集。

5. simv 仿真，根据实际情况添加 vcs 仿真选项。常用选项有：

   • -power <power_options> 指定仿真运行时 upf 相关配置（可选），power_options 可以为 tcl 文件。
   • -xprop 打开 X 态传播检查（可选）。建议打开。

6. 查看波形及 Log 进行 Debug

   • log report 目录名为 mvsim_native_reports，其中的 WARNING 和 ERROR 均需清理。

  以下几篇文章讲低功耗仿真流程讲得挺好，可重点参考：

• 使用 VCS 和 Verdi 的 UPF 低功耗仿真流程
• 低功耗验证(二）UPF，低功耗流程，VCS NLP
• 使用 VCS 进行带UPF的RTL低功耗仿真

3.3 Verdi Debug 手段

  跟 VCS-NLP 仿真配套的，可用 verdi 进行 Power Aware Debug。使用 VCS-NLP 进行仿真跑出的波形，直接用 verdi 打开波形加载 UPF，即可看到相关 Power Aware 信息。Power Aware Debug 中的 Verdi 使用重点参考以下几篇文章：

• 使用 VCS 和 Verdi 的 UPF 低功耗仿真流程
• 使用 VCS 进行带UPF的RTL低功耗仿真

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4. 其他参考及友链

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• VCS Native Low Power (NLP) User Guide
• Golden UPF Flow Application Note
• Verdi® Power-Aware Debug User Guide
• Writing Reusable UPF For RTL And Gate-Level Low Power Verification
• VCS带UPF的RTL低功耗仿真介绍
• VCS自带的UPF低功耗仿真demo介绍
• 一个UPF低功耗仿真的简单例子- IC验证讨论

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