在5G通信、人工智能等高性能計(jì)算領(lǐng)域，功耗優(yōu)化已成為芯片設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)。Synopsys Design Compiler通過(guò)多電壓域（Multi-Voltage Domain, MVD）配置與動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DVFS）技術(shù)，為低功耗設(shè)計(jì)提供了從RTL到門(mén)級(jí)網(wǎng)表的全流程解決方案。

多電壓域配置：從架構(gòu)劃分到物理實(shí)現(xiàn)

多電壓域設(shè)計(jì)的核心在于將芯片劃分為多個(gè)獨(dú)立供電區(qū)域，每個(gè)區(qū)域根據(jù)性能需求分配不同電壓。例如，某5G基帶芯片設(shè)計(jì)中，處理器核采用1.2V供電以滿足高頻計(jì)算需求，而存儲(chǔ)器接口模塊使用0.9V供電以降低靜態(tài)功耗。這種設(shè)計(jì)通過(guò)create_power_domain命令在Design Compiler中定義電壓域邊界：

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create_power_domain PD_CORE -elements {core_logic}

create_power_domain PD_MEM -elements {mem_ctrl}

電壓域間的信號(hào)交互需通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器（Level Shifter）實(shí)現(xiàn)電壓適配。Design Compiler支持自動(dòng)插入電平轉(zhuǎn)換器，其策略可通過(guò)set_level_shifter_strategy命令配置。例如，將低電壓域到高電壓域的轉(zhuǎn)換器放置在目標(biāo)域內(nèi)，可減少電源路由復(fù)雜度：

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set_level_shifter_strategy -domain PD_MEM -target_domain PD_CORE -location target

電源門(mén)控（Power Gating）技術(shù)通過(guò)關(guān)閉非活躍模塊的電源進(jìn)一步降低靜態(tài)功耗。Design Compiler在綜合階段插入電源開(kāi)關(guān)單元（Power Switch），并通過(guò)UPF文件定義電源控制邏輯。例如，某AI加速器設(shè)計(jì)中，通過(guò)create_power_switch命令實(shí)現(xiàn)計(jì)算陣列的動(dòng)態(tài)關(guān)斷：

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create_power_switch PS_ARRAY -domain PD_ARRAY \

                  -input_supply_port {in VDD_MAIN} \

                  -output_supply_port {out VDD_ARRAY_sw} \

                  -control_port {ctrl pg_en}

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)：性能與功耗的動(dòng)態(tài)平衡

DVFS技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整電壓和頻率，使芯片在不同工作負(fù)載下保持最優(yōu)能效。Design Compiler支持多級(jí)電壓縮放（MVS）策略，允許設(shè)計(jì)者定義離散的電壓-頻率對(duì)。例如，某ARM Cortex-M系列處理器設(shè)計(jì)中，定義了三級(jí)操作模式：

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# 定義電壓-頻率對(duì)

set_voltage 0.8 -object_list [get_power_domains PD_CORE] -mode LOW

set_frequency 100MHz -object_list [get_clocks clk_core] -mode LOW

set_voltage 1.0 -object_list [get_power_domains PD_CORE] -mode MEDIUM

set_frequency 200MHz -object_list [get_clocks clk_core] -mode MEDIUM

set_voltage 1.2 -object_list [get_power_domains PD_CORE] -mode HIGH

set_frequency 400MHz -object_list [get_clocks clk_core] -mode HIGH

Design Compiler通過(guò)compile_power命令優(yōu)化門(mén)級(jí)網(wǎng)表，在滿足時(shí)序約束的前提下最小化動(dòng)態(tài)功耗。其內(nèi)置的多閾值電壓（MTCMOS）技術(shù)，在關(guān)鍵路徑使用低閾值單元提升速度，在非關(guān)鍵路徑采用高閾值單元降低漏電。例如，某12nm工藝芯片設(shè)計(jì)中，通過(guò)set_dont_use命令禁用高漏電單元：

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set_dont_use [get_lib_cells */LVT/*] -object_list [get_power_domains PD_MEM]

驗(yàn)證與優(yōu)化：從RTL到簽核

Design Compiler與PrimeTime PX（PTPX）工具鏈協(xié)同，實(shí)現(xiàn)多電壓域設(shè)計(jì)的功耗簽核。PTPX加載UPF文件后，可精確計(jì)算各電壓域的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗。例如，某汽車(chē)電子芯片設(shè)計(jì)中，通過(guò)以下命令生成分域功耗報(bào)告：

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report_power -hierarchy -power_domain all -format full

報(bào)告顯示，核心域在1.2V下動(dòng)態(tài)功耗為120mW，存儲(chǔ)域在0.9V下靜態(tài)功耗為85μW，驗(yàn)證了多電壓設(shè)計(jì)的有效性。

結(jié)論

Synopsys Design Compiler通過(guò)多電壓域配置與動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，為低功耗設(shè)計(jì)提供了從架構(gòu)劃分到物理實(shí)現(xiàn)的完整解決方案。其支持的多級(jí)電壓縮放、電源門(mén)控和MTCMOS優(yōu)化策略，在5G、AI等高性能計(jì)算領(lǐng)域顯著降低了芯片功耗。結(jié)合PTPX的精準(zhǔn)功耗分析，設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)早期識(shí)別高功耗模塊，并通過(guò)邏輯優(yōu)化和工藝庫(kù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)能效最大化。隨著工藝節(jié)點(diǎn)向3nm及以下推進(jìn)，Design Compiler的低功耗技術(shù)將持續(xù)推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)向更高能效演進(jìn)。