电子芯片 PPA在芯片定义时的考虑

谈到芯片，首先想到的一定是性能，功耗，价格，成熟度，生态圈兼容性等。但是只针对芯片本身的话，是看芯片内部有什么运算能力，比如处理器，浮点器，编解码器，数字信号处理器，图形加速器，网络加速器等，还要看提供了什么接口，比如闪存，内存，PCIe，USB，SATA，以太网等，还有看里面自带了多少内存可供使用，以及功耗如何。fwvednc

性能，对CPU来说就是基准测试程序能跑多少分，比如Dhrystone，Coremark，SPEC2000/2006等。针对不同的应用，比如手机，还会看图形处理器的跑分，而对网络处理器，会看包转发率。当然，还需要跑一些特定的应用程序，来得到更准确的性能评估。fwvednc

功耗，从high level来看，也分动态功耗和静态功耗。动态功耗，就是在跑某个程序的时候，芯片的功率是多少瓦。通常，这时候处理器会跑在最高频率，但这并不意味着所有的晶体管都在工作，由于power gating和clock gating的存在，有些没有被用到的逻辑和片上内存块并没在耗电。芯片公司给出的处理器功耗，通常都是在跑Dhrystone。这个程序有个特点，它只在一级缓存之上运行，不会访问二级缓存，更不会访问内存。这样得出的功耗，其实并不是包含了内存访问的真实功耗，也不是最大功耗。为得到处理器最大功耗，需要运行于一级缓存之上的向量和浮点指令，其结果通常是Dhrystone功耗的2-3倍。但是从实际经验看，普通的应用程序并不能让处理器消耗更高的能量，所以用Dhrysone测量也没什么问题。当然，要准确衡量整体的芯片功耗，还得考虑各种加速器，总线和接口，并不仅仅是处理器。fwvednc

在芯片设计阶段，最重要的就是PPA，它转化为设计，就是功能，性能，功耗，直接影响价格。其中，性能有两层含义。在前端设计上，它表示的是每赫兹能够跑多少标准测试程序分。通常来说，流水线级数越多，芯片能跑到的最高频率越高。可是并不是频率越高，性能就越高。这和处理器构架有很大关系。典型的反例就是Intel的奔腾4，30多级流水，最高频率高达3G赫兹，可是由于流水线太长，一旦指令预测错误，重新抓取的指令要重走这几十级流水线，代价是很大的。而它的指令又非常依赖于编译器来优化，当时编译器又没跟上，导致总体性能低下。而MIPS或者PowerPC的处理器频率都不高，但是每赫兹性能相对来说还不错，总体性能就会提高一些。所以性能要看总体跑分，而不是每赫兹跑分。fwvednc

性能的另外一个含义就是指最高频率，这是从Backend设计角度来说的。Backend的人只看芯片能跑到多少频率，频率越高，对实现的时候的timing, noise等要求不一样。频率越高，在每赫兹跑分一定的情况下，总体性能就越高。请注意对于那些跑在一级缓存的程序，处理器每赫兹跑分不会随着频率的变化而变化。而如果考虑到多级缓存，总线和外围接口，那肯定就不是随处理器频率线性增加了。fwvednc

从后端角度考虑，影响频率的因素有很多，比如：fwvednc

首先，受工艺的影响。每一种制程（例如14nm）下面还有很多小的工艺节点，例如LP，HP等。他们之间的最高频率，漏电，成本等会有一些区别，适合不同的芯片，比如手机芯片喜欢漏电低，成本低的，服务器喜欢频率高的，不一而足。fwvednc

其次，受后端库的影响。Foundry会把工艺中晶体管的参数抽象出来，做成一个物理层开发包（可以认为叫DK），提供给工具厂商，IP厂商和芯片厂商。而这些厂商的后端工程师，就会拿着这个物理层开发包，做自己的物理库。物理库一般包含逻辑和内存两大块。根据晶体管参数的不同，会有不同特性电子芯片，适合于不同的用途。而怎么把这些不同特性的的库，合理的用到各个前端设计模块，就是一门大学问。一般来说，源极和漏极通道越短，电子漂移距离越短，能跑的频率就越高。可是，频率越高，动态功耗就越大，并且可能是按指数级上升。除此之外，还会有Track这种说法电子芯片，指的是的标准单元的宽度。常见的有6.75T，9T等。宽度越大，电流越大，越容易做到高频，面积也越大。还有一个可调的参数就是阈值电压，决定了栅极的电压门限，门限越低，频率能冲的越高，静态功耗也越大，按对数级上升。比如需要低功耗（更多使用HVT的晶体管）或者高性能（更多使用LVT，ULVT）的晶体管。fwvednc