低功耗验证 (二）UPF，低功耗流程，VCS NLP

UPFUnified Power Format (UPF) 用于定义power intent的标准，基于TCL语言编写。目前，最新版的UPF为UPF3.0 1801-2018。UPF文件主要包含4部分内容：power domain， power state， low power cell rule， PG connection。power domain: 对特定的RTL instance做电源管理

劲仔小鱼

28064人浏览 · 2021-07-03 14:45:11

劲仔小鱼 · 2021-07-03 14:45:11 发布

UPF

Unified Power Format (UPF) 用于描述power intent（供电意图）的标准，基于TCL语言编写。
目前，最新版的UPF为UPF3.0 1801-2018。
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SDC时序约束为Timing Spec；UPF为 POWER DESIGN SPEC，传递给后端作为输入文件，需要保证其为 Golden File。

UPF文件主要包含4部分内容：power domain， PG connection，low power cell rule，power state 。
power domain: 对特定的RTL instance做电源管理，可以将其单独定义为一个domain，需要primary net供电。物理实现为voltage area。
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PG connection: 通过supply net或者supply set构建power network电源网络，给各个power domain, IP Macro, I/O cell供电。物理实现为power rail。supply port供电端口。

在UPF2.0中引入了supply set的概念，是supply net的抽象集合。
对于一个MOS管，供电端必须有power Pin， ground Pin；在一些其他的低功耗策略中，如Body Bias中，还会对nwell，pwell，deepnwell，deeppwell做额外处理。所以supply set作为supply net的集合，对于供电网络的描述更佳友好。

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VNBPin对nwell供电，VPBPin对pwell。

low power cell rule：对于level shifter，isolation，retention register，power switch cell的行为描述。如level shifter从高到低还是从低到高，isolation cell钳位的高低电平，power switch的控制信号等。

power state：Chip的一种供电模式，是特定条件下supply net的供电组合。
可以通过create_pst创建PST power state table，并作覆盖率分析。
PST有两种方式，一种是add_power_state，将power_state加入PST（recommend）:
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另一种是add_port_state，将port_state加入PST（legacy）:

power sate也可以用于创建Power Model。对于超大项目，需要在pre-RTL阶段，在软件应用层做架构探索，对性能，功耗，面积评估（Shift left and constant visibility）。
VPU Power Model示例：🔗5G Mobile SoC Pre-RTL Power/Performance Optimization
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整个UPF的编写和维护，根据实际项目需求，编写SPEC-2-UPF的脚本，自动生成UPF文件，减少工作量和书写错误。
🔗An innovative and efficient approach for… UPF files

Low Power Simulation

Tools

VC LP: low power的静态检查工具，用于Static Verification。以 UPF/PST 作为 Golden 去检查 UPF 本身的一致性，以及检查设计/网表是否有缺少/冗余的低功耗器件，包括检查带有电源地信息的网表里面电源/地的连接是否和 UPF 的设计意图一致，等等，一般由UPF实现工程师完成，是 LP 验证检查的第一步。VC LP涉及LP实现的整个流程，为动态仿真和逻辑综合提供一个"干净“的UPF(Hand-off前），保证最后的UPF实现与最初的设计意图一致（Sign-off前）。

VCS NLP: VCS Native Low Power 支持VCS带UPF/CPF的Power-Aware的仿真，用于Dynamic Verification。Power-Aware就是仿真工具可以根据UPF对RTL model实现power-up，power-down，以及retention, isolation, and level shifting等功能，相当于插入虚拟的power cell来实现low power simulation。（VCS NLP天然集成了 low power simulation功能，以往的方式是采用 MVSIM工具，一款协同仿真器（Co-Simulator），同 VCS协同仿真）
vcs -upf <upf file>指定UPF文件即可实现带UPF的仿真。

Verdi Power-Aware Debug: dump POWER相关信息后，verdi也支持Power-Aware的debug。🔗低功耗验证（三） Verdi Power-Aware Debug简单使用

其余的一些工具，如Design Compiler，IC Compiler，Formality，PrimeTime 等非Verification tool不在深入研究。
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Low Power Flow

Synopsys® 推荐的UPF-flow如下图所示，仿真涉及三个阶段，逻辑综合前RTL+UPF，逻辑综合后Gate-level netlist + UPF’，物理实现后Gate-level netlist + UPF" 或者Gate-level netlist with PG pin。UPF file作为Golden file，贯穿整个流程，指导工具实现。（ 相比 traditional flow，Snps推荐的 Golden UPF Flow，工具会额外生成 supplemental UPF，可以参考🔗Golden UPF Flow Application Note）

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Original RTL + UPF
在逻辑综合之前，RTL model中还没有插入Low Power cells（isolation cells, level shifters, retention registers, or power switches) 和 power and ground (PG) net。VCS NLP根据UPF插入虚拟cells和net，实现Power Aware功能。

Gate-Level Netlist + UPF’
使用DC逻辑综合后，产生UPF’ (UPF prime)，此时网表插入了isolation cells，level shifters，retention registers，但是PG net和power switches还没有。这一阶段的仿真，需要gate-level netlist，UPF’ file以及 .db file。(.db是binary格式，描述 Cell 每个 Pin 和电源直接的依赖关系，由test格式的.lib转化得到）根据项目需求，这个阶段的仿真不是必须要做的。

Gate-Level Netlist + UPF’’ 及 PG Netlist
经过IC Compiler，IC Compiler II，或者 Fusion Compiler布局布线后，会产生UPF" (UPF double-prime)。这时没有必要使用VCS NLP跑带UPF" 的仿真了，可以直接跑PG Netlist的仿真。PG Netlist包含UPF中定义的各种low power cells以及PG pin组成的供电网络。PG Netlist是Power-Aware的，直接使用vcs仿真。
带PG pin的std cell多了VDD VSS VBP VBN四个PG pin，下电条件下通过三态门bufif1驱动x态，上电则正常导通，实现Power-Aware：在这里插入图片描述

VCS-NLP Simulation

▶将顶层testbench创建为一个power domain，作为一个虚拟的always on domain。

▶ set_design_attributes设定属性。例如-attribute UPF_dont_touch TRUE设置为不受UPF掉电影响，为always_on状态。-attribute enable_bias TRUE使能bias functions。更多属性参考手册。

▶数字部分由模拟部分控制上下电，可以在UPF中加入power switches来模拟LDO/DC-DC的行为。

▶对于power sequence的time delay，例如power switch打开后，多久关闭isolation。可以根据后端结果评估设置一个安全时间cycle delay或者使用power switch的ack_port做判断。

▶domain的供电来自供电端口，可以通过add_port_state定义端口电压，也可以通过调用supply_on supply_off的方式控制。默认power_net 为 { FULL_ON, 1.0000V} ground_net为 {OFF, 0.0000V}。

▶Supply States: OFF, UNDETERMINED,PARTIAL_ON, FULL_ON四种状态。
示例：power switch 两个 control，input supply port为FULL_ON时，trickle_ctrl打开，output supply port为PARTIAL_ON，main_ctrl打开，为FULL_ON状态。若控制信号出现X态或者高阻态，则为UNDETERMINED不确定状态。在这里插入图片描述
▶vcs_reinit
对于ROM，实际掉电数据不会丢失；但是仿真时掉电仿真器不会保存ROM中的数据。可以手动monitor上电信号赋初值或者通过vcs_reinit自动再次触发initial blocks。
也可以在upf中通过命令行控制：set_design_attributes -elements <element_list> -models <model_list> -attribute SNPS_reinit TRUE
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▶Monitor Power Domain State
第一种：power domain下电时，内部信号(4-state variables)呈X态。根据是否为X态，监测是上电状态还是下电状态。
第二种：monitor power_state_simstate。
NORMAL,CORRUPT,CORRUPT_ON_ACTIVITY,CORRUPT_STATE_ON_CHANGE,CORRUPT_STATE_ON_ACTIVITY5种类型的simstate。若没有额外声明，默认NORMAL上电，CORRUPT下电两种状态。
*vcs_always_on*需要配合编译命令-power=attributes_on使用，保证不受掉电影响。
也可以在testbench中先通过bind RTL module的方式加入，然后再通过XMR（Cross-Module References）的方式直接monitor simstate，避免掉电影响。

 `ifdef UPF_POWER_AWARE
	import UPF::*;
	power_state_simstate upf_simstate;

(*vcs_always_on*)
always @(upf_simstate) begin
 if (upf_simstate == CORRUPT)
       begin
       $display ($time   , "SNPS =>DOMAIN IS CORRUPT");
       end
 else if (upf_simstate == NORMAL)
       begin
       $display ($time   , "SNPS => DOMAIN IS ON");
       end
 else 
	begin
       $display ($time   , "SNPS => DOMAIN IS NON-ON and NON-CURRUPT STAGE");
	end
 end
 `endif

CORRUPT_STATE_ON_CHANGE就是low-vdd stnady的操作，降低vdd，减少漏电流，但不至于存储电平丢失。此时不可以进行存储的访问操作，否则数据丢失。
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第三种：Power Aware Verification Environment (PAVE) is an infrastructure that enables accessing the UPF objects, monitor low power events, and write power-aware assertions.
PAVE内建访问UPF object的API，使用TCL语言编写，在编译选项中–lpa_bind xxx.tcl bind。需要一些学习成本。

▶Log and Report:
VCS-NLP仿真会实时打印power相关的log，WARING,ERROR的需要清理。默认生成mvsim_native_reportsreport目录。

▶覆盖率收集：-power=coverage会根据UPF文件自动收集PST states， Power switch，Supply net/port/transitions等低功耗相关的覆盖率。
也可以-power=cov_pst+cov_psw+cov_iso+cov_pd_simstate+cov_port_state+cov_supply_set手动选择需要收集的覆盖率条目。
合并覆盖率：urg -full64 -dir coverage/cov.vdb/ -dbname mergedir/merged
打开覆盖率：verdi -cov -codir mergedir.vdb

▶VCS除了支持功能仿真，低功耗仿真外，还支持SPICE模拟部分仿真与X-Propagation X态传播（🔗X态详解与 X态传播 VCS X-Propagation）。
SNUG上两篇 Best Paper Award 的Paper:
Power-Aware下的数模混仿🔗Power aware simulation for Analog-Mixed Signal design
Power-Aware下的X态传播：🔗Is X-optimism burning my low power design

Lower Power Verification

Power sequence
不同power mode之间的切换；PMU中fsm的遍历；CPU 执行WFI指令请求下电；isolation操作在下电前，上电后；
Wakeup interrupt
不同条件下，从SLEEP MODE唤醒，如Pin Wakeup，RTC Wakeup，IP Wakeup等。
Memory retention testing
重新上电后，retention mem的数据保持不变。
Assertion checker
assertion domain power down/up; Free-running clocks/gated clocks; Analog model signal assertion; isolation ctrl and power down/power up sequence assertion；clamp value check;
Formal Verification
- protocol compliant check : LPI(Low Power Interface，Q-channel/P-channel）protocol
- parameters, tie-offs and connectivity check : the propagation of parameters, the value of tie-offs, the connectivity of combinatorial logic
- deadlock check : no specific sequencing errors prevent power transitions
- livness checks : activity on any of the Q-channels will always result in power transitions from a low to a high state
- other functional point suitable for Formal
Collect and Analysis Power Coverage
Clean model and sim log error