功耗來源

一個單元的功耗分為靜態功耗和動態功耗。

靜態功耗

這是在沒有發生翻轉活動時消耗的功率。對于CMOS單元，這部分功耗主要來自于柵極漏電和亞閾值電流。這種靜態功耗可能因輸入引腳中的電壓而異。

由于一個標準單元的 leakage power 和其面積成正比，因此在實際后端設計的各個階段，尤其是低功耗設計中，一般會重點關注芯片中邏輯門的面積變化并以此快速推斷設計的 leakage 功耗變化。

動態功耗

動態功耗是電路發生翻轉時消耗的功耗。對于靜態CMOS電路，動態功耗通常占總功耗的絕大部分。
這種功耗可進一步分為兩類：

• 翻轉/開關功耗（Switching Power）：這是由于單元驅動的外部電容性負載的充電和放電而消耗的能量/功率。
• 內部功耗（Internal Power）：由于開關過程中發生的短路情況以及單元本身內部電容的充電/放電，內部能量以脈沖形式耗散。

一個兩輸入NAND的動態功耗波形如下：

在 t=12 ns 時，在 Vip1處發生下降沿。這不會在輸出端發生完整的邏輯轉換，但會帶來一個小毛刺（圖中不嚴格按照比例）。這種輸入轉換會導致Pxhnd2_1的小幅增加，這部分功耗不包括在翻轉功耗里，有時會包含在內部功耗中，一般可以忽略。

在實際后端設計時，動態功耗由于和芯片的功能息息相關，因此在計算的時候會引入翻轉率（toggle rate）的概念。翻轉率是衡量單位時間內 device 上信號翻轉時間所占的比率。在實際計算動態功耗的時候，又會分成兩個部分。一部分為庫文件查表得到的 Internal Power，下面會介紹到；另一部分為互連線（net）上的動態功耗，這部分的計算通過將所有 net 上每個翻轉周期的功耗乘以其翻轉率并相加得到。翻轉率通過某種固定格式的文件傳入EDA工具，比較常用的格式有 SAIF（Switching Activity Interchange Format）、VCD（Value Change Dump）以及 FSDB（Fast Signal Database）文件。

Synopsys功耗模型

在表征用于功耗分析工具的單元功耗時，需要測量以下量：

每個狀態的漏電功率，以及（如果需要更簡單的模型）輸出為高/低的平均值，甚至所有可能狀態的平均值，假設每個狀態的一些概率（除非已知其他情況，否則假設所有可能狀態的可能性相同）。

單元每個引腳上升或下降邏輯轉換消耗的內部能量。這取決于一些其他因素，例如輸入波形的轉換延遲（transition delay）和單元輸出引腳驅動的負載電容。對于輸出管腳，如果一個輸出管腳處的邏輯值可能因幾個不同輸入管腳處的轉換而改變，則必須對每個輸入管腳處的輸出轉換進行單獨測量，如果需要更簡單的 Synopsys模型，還需要獲得平均值。
由于內部功率和負載電容/輸入轉換延遲之間的關系不一定由方程很好地描述，因此模型只是以查找表（lookup table）的形式存在。

lib文件中的功耗模板：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的数字电路功耗分析基础的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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