探讨 | 功耗应该在哪个corner 看？

为了寻到一个相对有说服性的答案，老驴试图查了T 跟A 的文档，在说到功耗计算时，都只简略得一带而过：在typical corner 看功耗，没有实验数据没有理论依据。又在谷歌上搜索了一番，找到了一些数据，同时请教了一些前辈，也得到了一些十分有用的信息。将这些信息揉和到一起，来探讨一下功耗应该在哪个corner 看？

在《一问 | 为什么power 只需要在typical corner 做sign off？》发出之后，收到了一些朋友的回复，贴到此处：

• SLC：power sign off 确实和产品有关，power 要用到三个地方：1）产品功耗评估，功耗计算的corner 和产品工作环境有关；2）给封装提供设计依据，做封装设计，一般看typical corner; 3）做IR/EM 分析，最差的IR/EM corner 跟工艺有关。
• XMN：我以前也有过这个质疑，为啥要typical corner? 然后把所有典型corner 的波形都输出，让后端分析，报告显示typical corner 功耗较大，就接受：不同corner 下， typical corner 的功耗最大，一直沿用。
• XX：首先大家在吹牛的时候需要有统一的criteria, 而typ25c 的power 数据比较漂亮。

跟前辈的探讨也贴到此处，这里的论述比较详细，会涉及到RC corner 的一些基本常识，可回顾《抽刀断水水更流，RC Corner不再愁：STA之RC Corner》。

• 这是个伪命题，我的理解是：power 通常没有sign off 之说，都是做power estimation. 之所以用typical corner 是因为，芯片毕竟是接近typical 的，所以会以这个为标准。有个很重要的点，IR 分析的Power 和Power estimation 的power 是两回事儿。
• 但是实际从sign off 角度看，power 主要影响IR/EM, 而这个不会只看typical corner. 芯片回来实测功耗，虽然有process 的variation 但整个variation 是可预期的，Idsat 和Ioff 都是有『预期值』的，比如偏一个sigma, Idsat 差6% 左右，那么动态功耗也就是I2 的关系，大概在这个范围；但是Ioff 的差别就会非常大，在同一个corner 也是，所以不能只看typical.
• 再者是温度，温度影响最大的是leakage, 对Idsat 几乎没影响，IR/EM 都是找『最有可能引起问题的corner』, 也就是问题最悲观的corner, 比如高温高压+ Cworst 来估计power, 而用Typical 或者RCworst, Cbest 等corner 来抽取电源网络的电阻，因为后两个R 最悲观。当然用typical 的也有。
• IR 分析的输入：lib + SPEF (Signal cap) + 电源网络R + switching activity. lib 一般会需要高温高压，SPEF 会选Cworst, 电源网络的电阻会选RCworst/ cbest/ typical corner, 不同公司选择不同。至于switching activity 是根据实际用例而来。
• Signal RC 由extraction 工具抽取，电源网络的RC 由IR 工具抽取再计算出点到点的RC, 点到点的RC 对抽取工具而言是难点，是需要计算得到的。

在谷歌搜到有人就此做的实验，同一个设计，未说工艺结点，在不同的RC 跟PVT 条件下，得到一组功耗值，可以看出高压+ 高温 + Cworst 的功耗最大，反而工艺偏差在该工艺结点对功耗的影响并不大。

从CMOS 管功耗构成来看，关于leakage power 的计算可回顾《四月清和雨乍晴，静态功耗乱伊心》，关于动态功耗的计算可回顾《2018世界杯第一日，撸一遍动态功耗计算》。

• Switching power: 逻辑翻转对有效负载电容进行充放电所消耗的功耗。公式如下，其中，a是switching activity，f是clock frequency，Ceff是有效负载电容，Vdd是芯片电源电压。根据该公式可以得出: 在频率跟翻转率一定的情况下，高压 + Cworst 会得到最大的动态功耗。

• Internal power是由于晶体管翻转的某一瞬间，PMOS和NMOS会同时导通的短路电流消耗的功耗。由如下公式可知，internal power 跟输入pin 的transition time, 输出pin 的load 相关，实际上还跟阈值电压相关，在频率跟翻转率一定的情况下，高温 + Cworst 会得到最大的内部功耗。

• 静态功耗，Leakage power主要由以下几个方面组成，跟电源电压，阈值电压和晶体管的宽长比相关，高温 + 高压 可得到最大的静态功耗。

I1 reverse-bias p-njunction diode leakage

I2 subthresholdleakage

I3 Gate-induced drain leakage

I4 gate leakage.

总结：

• 在Typical corner 看功耗，并没有什么理论依据跟实验数据支撑，更多的是一种约定俗成。NXP 在2014 年DAC 上有文章称，只看typical corner 的功耗是不够的，应该同时看更worst corner 的功耗。
• IR 分析的Power 和Power estimation 的power 是两回事儿，IR/EM 分析找『最有可能引起问题的corner』, 也就是问题最悲观的corner, lib 一般会需要高温高压，SPEF 会选Cworst, 电源网络的电阻会选RCworst/ cbest 这些R 最大的corner 抽取计算。