TWI270003B - Memory power model related to access information or the variation thereof and the method of applying the power model - Google Patents

Description

1270003 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種電子設計自動化（electronic design automation，EDA)工具；尤指在EDA工具中，記憶體元件之功 率消耗模型。 【先前技術】 藉由EDA工具，電路設計者可將抽象層次的積體電路設計 進而實現出實際的積體電路。第1圖顯示，在電路設計流程100 的行為層次(behavior level)102中，積體電路由基本邏輯運算來 代表。經過合成（synthesis)後可得到積體電路的閘層次（gate level) 104，此時行為層次的電路被EDA工具轉成以基本邏輯閘 來代表；再經過最佳化以後，積體電路的電晶體層次（transistor level)106以基本元件及其間的連接來代表。此外，EDA工具也 被用來在行為層次、閘層次中提出估算電路效能的估計值1〇8、 110，如運算時間，電路面積，電路消耗功率的估計值等。如果 在最佳化過程後，電晶體層次的積體電路測量出來的測量值I12 並未滿足設計限制，如運算時間太長、面積太大或消耗功率太 大等，電路設計者就必須就要重新設計行為層次的設計來滿足 該設計限制，因而延長產品設計時程。因此，準確的估計系統 之重要性不言而喻。一個能在行為層次就準確估計出該積體電 路消耗功率之EDA工具，可以為電路設計者節省下許多開發時 間。

第2圖為一記憶體元件腳位之原型（prototype)的示意圖 200，圖上顯示該記憶體有位址埠（Address Port)、資料埠（Data Port)、一讀寫控制訊號（write enable，WEN)及一致能訊號（chiP 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 6 1270003 CEN)。第3圖為摘錄美國專利#5,838,579及紙彻，8i5 中’記憶體功率消耗的範例，第4圖則為摘錄自场时的了囊 〇.25μΐη Pr〇cess SRAM-SP-HD Generator User Manual(2002)^ iL 錄雜機存取記憶體（SRAM)的功率消耗實例。該等功率消耗 核里八針*對德體各個操作模式來描述，如··待機狀態搬、術 (Idle)，讀取狀態304、4〇4及寫入狀態3〇6、撕三種模式，來 記錄它們的平均功率。 因此，在進行記憶體功率估算分析時，只要計算記憶體操 作在待機、讀取和寫人狀態下的次數，便可透過第3圖及第* 圖換算出該記憶體的功率消耗。乍看之下，此功率模型的建構 理念非常合理，因為自帛5圖實際操作—靜態隨機存取記憶體 在10MHz的電流波形來看，不同操作模式下的功率消耗的確是 差別很大’如第5圖所顯示’記憶體在讀取狀態5()4、寫入狀態 502兩種不同操作模式時的平均功率消耗差距達到i00uA左 右’但事實上’此方式在功率估算上仍有所不足之處，因記憶 體即使是在同樣的操作模式下(如:寫入狀態)，其消耗的電流量 變動的最大範圍5G6仍有約9GuA。這隱含著當我們使用傳統功 率模型必導致x力率估算結果會過於樂觀或悲觀。 【發明内容】 口本發明提出一套記憶體功率消耗模型。藉由記憶體在不同 操作板式下（如：讀取、寫入或待機狀態），搭配上存取資訊（如： /ADDR)或存取資訊的變化量來建立一系列的功率對照 $。統合冗憶體所有的操作模式及輸入資料或輸入資料的變化 里所對應的功率對照表後，可構成本發明之記憶體功率消耗模 型0 〇821-A20783TWF(N2)；Pi893〇〇22；scar|et 7 1270003 本發明亦提出一套建立抽象層次記憶體功率對照表的方 去矛】用亂數產生器（Random Pattern Generator)來模擬 所需之輸入信號，模擬記憶體在電晶體層次的操作後，將相同 特徵值向量（操作模式，存取資訊）信號所對應記憶體功率的反 應狀况(power Consumption Vector)、结果建立為功率模型。 最後’本發明亦提供一將記憶體功率模型應用到模擬平台 的方法：將一特徵值向量計算器與一待測記憶體模組包裝成一 替代模組，再將一輸入向量輸入到該替代模組後，可產生出相 對應於該輸入向量的特徵值向量。連同輸入向量、替代模組及 本發明提供之記憶體功率消耗模型送到一功率模擬平台後，即 可獲得該記憶體在執行該輸入向量下所消耗的功率。 為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文 特舉一較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。 【實施方式】 第7圖為本發明各個記憶體功率對照表的建構流程。一開 始先由記憶體編譯器（Memory Compiler)或使用者本身提供來獲 得記憶體電晶體層次的模組7〇2。為了模擬各種不同操作模式下 以及多樣的輸入信號下，本發明利用亂數產生器（Rand〇m

Pattern Generator)產生一亂數序列704用作記憶體操作時所需 之輸入信號，並計算執行該亂數序列於該記憶體的電晶體層次 模組之功率消耗。此後，分別將不同特徵值向量7〇8(如WEN (Write Enable)，CEN (Chip Enable)，漢明距離（i/細mhg Dce、W))下對應的記憶體功率的反應狀況（power Consumption Vector)706，作成各個特徵值向量下的功率對照表 710。將每一個有可能發生的特徵值向量及相對應的功率反應狀 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 8 1270003 况都建成功率對照表後，一個記憶體功率消耗模型便大致成型。 、每個特徵值向量708可以大致分成兩個部分：i·跟操作模 j有關的腳位之狀態，以及2·關乎位址埠以及/或資料埠腳位的 前後信號改變量。以下位址埠及/或資料埠腳位之組合稱為存取 貧訊。譬如說，如腳位WEN以及CEN的狀態（高電位或低電位） 可以定義出目前記憶體是操作於待機模式（CEN於高電位）'讀 取模式（CEN於低電位且wen於高電位）、或是寫入模式（cen 於低電位且WEN於低電位）。；^可以由現在存取資訊與之前的 存取資訊的改變量求得。譬如說，如果位址以及/或資料腳位現 在的信號狀態與之前的信號狀態總共有5個腳位的信號改變 了’那麼/^就是5。 功率對照表710可以透過以下方式產生：先將亂數序列7〇4 轉化成一個特徵值向量序列。執行該亂數序列7〇4於該記憶體 的電晶體層次模組702後，可以得到一個功率消耗量。把特徵 值向量序列中相同的特徵值向量所對應的功率消耗量加總平 均’就可以定義出一個功率反應狀況，進而建立出一個相對的 功率對照表710。 第6圖顯示出本發明提供之記憶體消耗功率模型的資料結 構600，该資料結構6〇〇置於一機械可讀記憶體（譬如電腦可讀 取的硬碟或是動態記憶體）中。這樣的資料結構6〇〇可視為一個 程式，使一台電腦依據一條件句，來找到一對應的功率對照表， 詳述如下：功率計算參考腳位6〇2宣告了當參考腳位變動一次 時，EDA工具就得紀錄該次的功率消耗量。該資料結構6〇〇内 亦包含有一個或多個功率消耗種類別，如624、626，表示該類 別下的功率消耗資訊606、610都是跟該種功率消耗種類別有 關。至於記憶體消耗功率的各個種類別及其發生原因，在此並 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 9 1270003 不多做介紹。區塊604為一條件句，若是目前的記憶體滿足該 操作模式與該存取資訊（D ATA/ADDR)或該存取資訊的變化量之 條件時，EDA工具便在區塊618内檢索功率對照表。同樣的， 區塊608亦為一條件句，若是目前的記憶體滿足該操作模式與 該存取資訊（DATA/ADDR)或該存取資訊的變化量之條件，EDA 工具便在區塊622内檢索功率對照表。 第8圖為本發明所提供之記憶體功率消耗模型的實施例。 功率計算參考腳位802宣告：當時脈腳位（CLK)變動一次時，EDA 工具得紀錄該次的功率消耗量。由致能訊號（CEN)及寫入訊號 (WEN)的組合來區別待機模式804、讀取模式806或寫入模式 808，再加上存取資訊（DATA/ADDR)的漢明距離（hamming distance，hd)來反應出整個記憶體行為模式對功率消耗的影響。 在第8圖可看出在本實施例中，{CEN，WEN，hd}之集合為一 特徵值向量。使EDA工具在獲得致能訊號及寫入訊號的狀態後 可再依存取資訊的不同而找到相對應的功率對照表 LUT(Look-Up Table)816、818、820。功率對照表 816、818、820 的内容則透過第7圖所示的流程可獲得。由於在待機模式804 中，存取資訊的改變並不影響記憶體功率的消耗，因此在待機 模式804中，條件句822並沒有限制hd的值。當條件句824成 立時，即，在記憶體操作在讀取模式下且hd等於1時，EDA工 具會檢索功率對照表816;同樣的，當條件句812成立時，即在 讀取模式806且hd等於2時，EDA工具會檢索功率對照表818。 在本實施例中’功率消耗類別828為’’internal power”，’’internal” 一詞指此功率消耗類別所計算的是記憶體，，内部，，電容充放電時 所消耗的功率。本文並不詳加介紹動態消耗功率的其他細節， 任何熟習此技藝之人士可於其他相關文件獲得所需資訊。值得 0821-A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 10 1270003 注意的是，本文中雖僅以單埠同步靜態隨機存取記憶體為實施 例，然熟習此技藝之人士皆可將本發明之精神應用到其他多 埠，或動態存取記憶體中。 第9圖為使用本發明提供之記憶體功率模型所應用到模擬 平台的流程圖。將輸入向量902輸入到一特徵值向量計算器 904。此特徵值向量計算器904可輸出相對應於輸入向量9〇2之 特徵值向量資訊906。該特徵值向量資訊可包括存取資訊腳位 (ADDR/DATA)中任一腳位改變邏輯狀態時產生的漢明距離。將 特徵值向量計算器904與待測記憶體模組9〇8包裝（wrap)成一個 替代模組（dummy module)912後，將特徵值向量資訊9〇6、替代 模組912及本發明提供之記憶體功率消耗模型91〇送到一行為 層次模擬平台916後，即可檢索被估算的記憶體之功率消耗模 型，而獲得該記憶體在執行該指令集下所消耗的功率914。值得 一提的是，本方法可將本發明提供之記憶體功率消耗模型應用 於現工業通用之行為層次模擬平台中。 對第7圖中的亂數序列704,我們設計了兩種類型的實驗。 一種是將位址埠之腳位輸入循序序列，用以模擬對連續的記憶 體位址存取的動作；另一種則是以產生Linear-feedback shift register(LFSR)亂數的方式任意指定位址埠信號，此二種類型的 實驗中，資料線腳位部分皆是用亂數來指定。 最後，下表顯示本實施例的結果。實驗所用的記憶體模組 為TSMC所提供0.25um製成的記憶體編譯器所產生 High-Density Synchronous Single-Port SRAM，其位址信號 (ADDR)為12位元，資料信號（DATA)為14位元，VDD=2.5伏 特，操作頻率為1.0MHz。 0821 ~A20783TWF(N2) ；P18930022；scarlet 11 1270003 存取方式 循序序列 亂數序列(LFSR Sequence Address) 最大功率估計誤差率（％) 3.076 2.913 平均功率估計誤差率(％) 2.091 1.693 標準差（％) 0.402 0.106 用本發明提供的功率估測系統900之結果皆與電晶體層級 的模擬結果來做比較，由上表得知，最大的功率誤差只約 3.076%，而且標準差（Standard Deviation)也維持在0.5%以下。 這顯示本發明所產生之功率模型擁有非常良好的準確度。 此外，每個特徵值向量也可以以另外兩種部分構成：1.跟 操作模式有關之腳位的狀態，以及2.關乎位址及/或資料腳位的 狀態。譬如說以（WEN，CEN，絕對距離）為一特徵值向量，其中 絕對距離是數個特定位址及/或資料腳位的絕對值。譬如說，如 果列入考慮的特定位址以及/或資料腳位有6個，他們的狀態為 (001101)，則絕對距離就是3。至於相對的功率對照表、記憶體 功率消耗模型、以及模擬平台的流程，熟悉此領域的人士，都 可以透過先前的揭露而類推得知，故不再多述。 本發明不僅改善了原本模型過於簡化使得準確度降低的問 題，又由於本發明是利用存取資訊（DATA/ADDR)或存取資訊所 對應的前後改變量來當功率模型額外輸入參數的格式，所以並 不會大幅增加此功率模型的複雜度。此外本發明能讓記憶體功 率模型被現今工業通用的EDA工具所引用，使得實用性大為增 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 12

I 1270003 加。 本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非僅用以限定本 發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内， 當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之 申請專利範圍所界定者為準。

0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 13 1270003 【圖式簡單說明】 第1圖為電路設計流程圖。 第2圖為一記憶體元件腳位之原型（prototype)。

第3圖為美國專利#5,838,579及#6,480,815中相關於SRAM 的功率消耗模型實例。 第 4 圖為摘錄 TSMC 0.25μιη Process SRAM-SP-HD Generator User Manual(2002)建立在靜態隨機存取記憶體（SRAM) 的功率消耗實例。 第5圖為記憶體於讀取、寫時的電流波形。 第6圖為本發明所提供之記憶體功率模型之資料結構。 第7圖為本發明各個記憶體功率對照表的建構流程。 第8圖為本發明所提供之記憶體功率模型之實施例。 第9圖為以本發明之功率消耗模型之抽象層次功率消耗估 計方法。 【主要元件符號說明】 102〜行為層次（behavior level) 104〜閘層次（gate level) 106〜電晶體層次（transistor) 10 8〜估計值 110〜估計值 112〜測量值 200〜記憶體元件腳位之原型（pr〇t〇type) 302、402〜待機模式 304、404〜讀取模式 306、406〜寫入模式 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 14 1270003 502〜寫入模式 504〜讀取模式 506〜電流量變動的最大範圍 602〜功率計算參考腳位宣告 604、608〜條件句 618、622〜功率對照表 624、626〜功率消耗類別 606、610〜功率消耗資訊 702〜記憶體之電晶體層次電路 704〜亂數序列 706〜功率反應狀況(power consumption vector) 708〜特徵值向量（characteristic vector) 710〜功率對照表（look-up table，LUT) 802〜功率計算參考腳位 804〜待機模式 806〜讀取模式 808〜寫入模式 816、818、820〜功率對照表 822、824、812、826〜條件句 828〜功率消耗類別 900〜功率估測系統 902〜輸入向量 904〜漢明距離(hamming distance)言十算器 906〜漢明距離資訊 908〜待測模組 910〜功率消耗模型 0821-A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 15 1270003 912〜模擬平台 914〜功率（估計）值 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet

Claims (1)

1270003 十、申請專利範圍： ^丨·提供一圮憶體兀件的功率消耗模型之方法，該功率消耗 模型由至少-個功率對照表組成，且該記憶體元件包含有複數 腳位，-第-群組包含至少一腳位，一第二群組包含非第一群 組之腳位中至少一腳位，該方法包括·· 定義該第一群組的至少一狀態； 疋義该弟二群組的至少一前後改變量； 定義複數特徵值向量，該等特徵值向量各包含有該第一群 、、且的其中一狀恶及該第二群組的其中一前後改變量； 提供一輸入向量； …執行該輸人向量於—代表該記憶體元件之f料集，並 该輸入向量所對應的複數特徵值向量； ，應於—特徵值向量’ ^義該記憶體元件相對應的一功率 项耗♦里，及 根據上述功率消耗量，定義一功率對照表。 2.如申請專利範圍中第丨項所述之方法，其定義 組的至少-前後改變量之步驟亦包括： 以第-群 :己錄5亥苐一群組中至少一腳位之邏輯狀態； 計算該第二群 當該第二群組中任一腳位改變邏輯狀態時 組的漢明距離；及 根據該漢明距離，定義一前後改變量。 ::申請專利範圍中第W所述之方法， 向直之步驟亦包括提供—亂數序列作為該輪人向量。、錢Λ 4·如申請專利範圍中第i項所述之方法 向量^代表該記憶體元件之資料集之步驟，包括 入向Ϊ於該記憶體元件之電晶體層次模組。 仃㈣ 〇821-A20783TWF(N2)；Pi893〇〇22；scarlet 17 1270003 5·如申請專利範圍中第1項所述之方法，其中該記憶體元 件包含有至少一位址腳位及至少一資料腳位，且該第二群組之 腳位由至少一位址腳位或至少一資料腳位，或兩者之組合構成。 6. —應用一記憶體元件之功率消耗模型方法，其中該記憶 體元件包含有複數腳位，一第一群組包含至少一腳位，一第二 群組包含非第一群組之腳位中至少一腳位，該方法包括： 根據一輸入向量，分析該第一群組的複數狀態； 提供一替代模組，包括有： 提供一代表該記憶體元件之資料集；及 提供一特徵值向量計算器，可用以輸出複數個特徵值向 量，其中每一特徵值向量包含有該第一群組的其中一狀態及該 第二群組的其中一前後改變量； 輸入該輸入向量於該替代模組；及 根據該特徵值向量及該替代模組，檢索該記憶體元件之功 率消耗模型。 7. 如申請專利範圍中第6項所述之方法，其中計算該輸入 向量造成該第二群組之複數前後改變量之步驟亦包括： 紀錄該第二群組中至少一腳位之邏輯狀態； 當該第二群組中任一腳位改變邏輯狀態時，紀錄該第二群 組的漢明距離；及 根據該漢明距離，定義一前後改變量。 8·如申凊專利範圍中第6項所述之方法，其中該記憶體元 件包含有至少一位址腳位及至少一資料腳位，且該第二群組之 腳位由至少-位址腳位或至少—f料腳位，或兩者之組合構成。 9.一提供一記憶體元件的功率消耗模型之方法，其中該記 隐體元件包3有至少一位址腳位及至少一資料腳位，該記憶體 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 18 1270003 元件之複數腳位構成一第一群組及一第二群組，該第一群組包 s ’腳位，5亥第二群組包含非該第一群組之腳位中至少一 腳位且，亥第_群組之腳位由至少_位址腳位或至少—i _腳 位，或兩者之組合構成，該方法包括： 、 定義該第一群組的至少一狀態； 疋義该弟二群組的至少一狀態； 提供一輸入向量； ^執仃邊輸入向量於一代表該記憶體元件之資料集，並紀錄 該記憶體元件相對於該輸入向量之功率消耗量； 定義複數特徵值向量，該等特徵值向量各包含有該第一群 組的其中一狀態及該第二群組的其中一狀態； β 根據一特徵值向量及一相對應功率消耗量，定義一功率對 照表；及 根據複數功率對照表，建立該記憶體元件之功率消耗模型。 10.如申請專利範圍中第9項所述之方法，其中提供該輸入 向量之步驟亦包括提供一亂數序列作為該輸入向量。 ^如申請專利巾第9韻述之方法，亦包括執行該輸 入向量於該記憶體元件之電晶體層次模組。 一 I2·一應用一記憶體元件之功率消耗模型方法，其中該記憶 體元件包含有至少-位址腳位及至少一資料腳位，且該記憶體 元件之複數腳位構成-第-群組及一第二群組，該第一群組包 3至；>、腳位，该第二群組包含非該第一群組之腳位中至少一 腳位，且該第二群組之腳位由至少一位元腳位或至少一資料腳 位’或兩者之組合構成，該方法包括·· 根據一輸入向量，分析該第一群組所對應複數狀態； 提供一替代模組，包括有： 0821 -A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 19 1270003 k么、代表该5己憶體元件之資料隼；及 旦徵值向量計算器，可用以輸出複數個特徵值向 。群植：：！徵值向量包含有該第—群組的其中-狀態及該 弟一辟組的其中一狀態； 輸入該輸入向量於該替代模組；及 檢索該記憶體元件之功 根據該特徵值向量及該替代模組， 率消耗模型。 13_-機械可讀記憶體，記财_功率消耗模型，該功率消 耗模型包含有-記憶體元件之複數功率對照表，其中該記憶體 …含有至少一位址腳位及至少一資料腳位，且該記憶體元 件之稷數腳位構成-第―群組及—第二群組，該第—群組包含 至少-腳位，該第二群組包含非該第一群組之腳位中至少一腳 位，且該第二群組之腳位由至少一位元腳位或至少一資料腳 位，或兩者之組合構成，該機械可讀記憶體亦包含有一程式， 且該程式可使一機械執行以下步驟： 根據該第一群組的狀態及該第二群組的其中一前後改變 量，找到一對應的功率對照表。 14·如申請專利範圍中第13項所述之機械可讀記憶體，其 中該記憶體元件中位址腳位或資料腳位之前後改變量可為該等 腳位之漢明距離。 15.—機械可讀記憶體，記載有一功率消耗模型，該功率消 耗模型包含有一記憶體元件之複數功率對照表，其中該記憶體 元件包含有至少一位址腳位及至少一資料腳位，且該記憶體元 件之複數腳位構成一第一群組及一第二群組，該第一群組包含 至少一腳位’该第一群組包含非該第一群組之腳位中至少一腳 位’且該第二群組之腳位由至少一位元腳位或至少一資料腳 0821-A20783TWF(N2)；P18930022；scarlet 20 1270003 位，或兩者之組合構成，該機械可讀記憶體亦包含有一程式， 該程式可使一機械執行以下步驟： 根據該第一群組的狀態及該第二群組的狀態，找到一對應 的功率對照表。 0821 -A20783TWF(N2);P18930022;scarlet 21