功耗控制之DVFS介绍

我们知道所有芯片在设计之初都需要规划芯片的参数和应用场景，统称为芯片spec。在spec中通常会定义一个或几个典型的应用场景以及它对应的工作条件如电压、频率和功耗上限等。因此，绝大多数芯片的工作条件，特别是电压和频率，在一开始就相对固定。然而，在实际流片之后，不同芯片的最高频率往往是不同的。我相信很多人都能猜到主要原因：process variation。一般来说variation不同芯片达到相同性能所需的电压也会呈现正态分布.

这导致一些芯片比目标频率低，可以称之为Weak Device；有的刚达到目标频率，可以称之为Nominal Device；有些可以达到比既定目标更高的频率，称为Strong Device。以下公式可以计算芯片功耗：

C晶体管的电容值，f是信号的频率，V工作电压，Pstatic这是静态功耗的总和。然后我们可以看到，由于电压平方与整体功耗成正比，降低工作电压对整体功耗的影响应该是最明显的。当芯片的最高频率超过既定指标时，在降低电压以确保性能不变的前提下获得更小的功耗是很自然的。

由于需要调整电压，需要引入两个概念：DVS(Dynamic Voltage Scaling)和AVS(Adaptive Voltage Scaling)。它们的核心目的是调整芯片的整体或部分power domain电源电压达到降低功耗的目的。不同的是，DVS固定和调节电压将选择一个或多个电压-频率对应点，AVS电压值可以在一定范围内自由调节。根据德州仪器的公开实验数据，可以降低功耗，AVS最高功耗可减少60%以上.

说到这里，你应该能够理解DVFS代表什么？DVFS的全称是Dynamic Voltage Frequency Scaling，是IC降低设计中动态功耗的常见概念。它可以根据芯片的性能和功耗需求调整电压和频率，从而在不同的工作需求中实现最小的功耗需求。

在实现DVFS在这个过程中，需要一个输出电压控制器，为EMU(Energy Management Unit)。

需要注意的是，DVFS调整电压和频率仍采用固定值进行调整，相应AVFS(Adaptive Voltage Frequency Scaling)虽然可以更精细地调整，但在实践中应用并不多，原因在于AVFS会大幅增加timing signoff一方面，很难使用少数难度PVT另一方面，要增加所有电压和频率的组合PVT可能面临条件signoff corner过多。