PTPXPrimeTime PX将总功耗分为这三部分是数字IC功耗分析的标准分类核心区别在于功耗产生的物理源头不同。1. Switching Power开关功耗 / 翻转功耗物理来源对芯片外部的负载电容互连线电容 下一级输入引脚电容进行充放电。发生场景逻辑门的输出电平发生翻转时需要对负载电容充电0→1或放电1→0。简易公式( P_{switch} \alpha \cdot C_{load} \cdot V_{dd}^2 \cdot f )(\alpha)为翻转活动因子(C_{load})为外部负载电容(V_{dd})为电源电压(f)为时钟频率特点与负载电容、翻转率、电压平方、频率成正比。属于动态功耗只在信号翻转时产生。通常占据动态功耗的最大头。2. Internal Power内部功耗 / 短路功耗物理来源①短路电流crowbar current输入信号翻转瞬间PMOS 和 NMOS 短暂同时导通形成从电源到地的直流通路。②单元内部节点电容充放电标准单元内部走线、寄生电容的充放电能量这部分不体现在外部的负载电容上。发生场景输入信号发生翻转时即使输出不翻转例如内部节点跳变也会产生内部功耗。工具处理PTPX 根据标准单元库里的功耗查找表Power LUT计算查找表索引通常是输入转换时间input transition和输出负载电容output load。特点与输入信号的slew转换时间强相关slew 越慢短路电流持续时间越长内部功耗越大。也属于动态功耗只发生在翻转过程中。与 Switching Power 的区别在于Switching Power 消耗在外部负载上Internal Power 消耗在单元内部。3. Leakage Power泄漏功耗 / 静态功耗物理来源晶体管处于截止状态时仍然存在的微小漏电流主要包括亚阈值漏电(I_{sub})栅极漏电(I_{gate})反偏结漏电(I_{dio})等。发生场景无论电路是否翻转只要有供电就会持续存在。工具处理PTPX 从库中读取每个标准单元在不同状态输入组合下的泄漏功耗值再根据各单元的概率/状态进行加权累加。特点与工艺制程、阈值电压、温度、电源电压强相关与频率、翻转率无关。属于静态功耗始终存在。先进工艺下如 FinFET 以下泄漏功耗在总功耗中的占比会显著上升。对比总结类别功耗类型产生条件消耗在何处主要决定因素频率相关性Switching Power动态功耗输出翻转外部负载电容线引脚(C_{load})、翻转率、电压正比于频率Internal Power动态功耗输入翻转单元内部短路内部节点input slew、输出负载、电压正比于翻转频次Leakage Power静态功耗始终存在晶体管漏电路径工艺、阈值电压、温度、电压与频率无关工程实践提示优化 Switching Power减负载、降电压、降翻转率时钟门控、数据门控。优化 Internal Power约束合理 slew、避免过度驱动过大驱动会带来更大内部电容、选择合适驱动强度单元。优化 Leakage Power采用多阈值电压Multi-Vt、电源关断Power Gating、堆叠效应等。PTPX 看到的三部分功耗实际上是芯片总功耗 动态Internal Switching 静态Leakage的完整拆分用于定位功耗瓶颈。
