Synopsys Design Compiler：多电压域配置与动态电压调节的低功耗设计实践

在5G通信、人工智能等高性能计算领域，功耗优化已成为芯片设计的核心挑战。Synopsys Design Compiler通过多电压域（Multi-Voltage Domain, MVD）配置与动态电压频率调节（DVFS）技术，为低功耗设计提供了从RTL到门级网表的全流程解决方案。

多电压域配置：从架构划分到物理实现

多电压域设计的核心在于将芯片划分为多个独立供电区域，每个区域根据性能需求分配不同电压。例如，某5G基带芯片设计中，处理器核采用1.2V供电以满足高频计算需求，而存储器接口模块使用0.9V供电以降低静态功耗。这种设计通过create_power_domain命令在Design Compiler中定义电压域边界：

tcl

create_power_domain PD_CORE -elements {core_logic}

create_power_domain PD_MEM -elements {mem_ctrl}

电压域间的信号交互需通过电平转换器（Level Shifter）实现电压适配。Design Compiler支持自动插入电平转换器，其策略可通过set_level_shifter_strategy命令配置。例如，将低电压域到高电压域的转换器放置在目标域内，可减少电源路由复杂度：

tcl

set_level_shifter_strategy -domain PD_MEM -target_domain PD_CORE -location target

电源门控（Power Gating）技术通过关闭非活跃模块的电源进一步降低静态功耗。Design Compiler在综合阶段插入电源开关单元（Power Switch），并通过UPF文件定义电源控制逻辑。例如，某AI加速器设计中，通过create_power_switch命令实现计算阵列的动态关断：

tcl

create_power_switch PS_ARRAY -domain PD_ARRAY \

                  -input_supply_port {in VDD_MAIN} \

                  -output_supply_port {out VDD_ARRAY_sw} \

                  -control_port {ctrl pg_en}

动态电压调节：性能与功耗的动态平衡

DVFS技术通过实时调整电压和频率，使芯片在不同工作负载下保持最优能效。Design Compiler支持多级电压缩放（MVS）策略，允许设计者定义离散的电压-频率对。例如，某ARM Cortex-M系列处理器设计中，定义了三级操作模式：

tcl

# 定义电压-频率对

set_voltage 0.8 -object_list [get_power_domains PD_CORE] -mode LOW

set_frequency 100MHz -object_list [get_clocks clk_core] -mode LOW

set_voltage 1.0 -object_list [get_power_domains PD_CORE] -mode MEDIUM

set_frequency 200MHz -object_list [get_clocks clk_core] -mode MEDIUM

set_voltage 1.2 -object_list [get_power_domains PD_CORE] -mode HIGH

set_frequency 400MHz -object_list [get_clocks clk_core] -mode HIGH

Design Compiler通过compile_power命令优化门级网表，在满足时序约束的前提下最小化动态功耗。其内置的多阈值电压（MTCMOS）技术，在关键路径使用低阈值单元提升速度，在非关键路径采用高阈值单元降低漏电。例如，某12nm工艺芯片设计中，通过set_dont_use命令禁用高漏电单元：

tcl

set_dont_use [get_lib_cells */LVT/*] -object_list [get_power_domains PD_MEM]

验证与优化：从RTL到签核

Design Compiler与PrimeTime PX（PTPX）工具链协同，实现多电压域设计的功耗签核。PTPX加载UPF文件后，可精确计算各电压域的静态和动态功耗。例如，某汽车电子芯片设计中，通过以下命令生成分域功耗报告：

tcl

report_power -hierarchy -power_domain all -format full

报告显示，核心域在1.2V下动态功耗为120mW，存储域在0.9V下静态功耗为85μW，验证了多电压设计的有效性。

结论

Synopsys Design Compiler通过多电压域配置与动态电压调节技术，为低功耗设计提供了从架构划分到物理实现的完整解决方案。其支持的多级电压缩放、电源门控和MTCMOS优化策略，在5G、AI等高性能计算领域显著降低了芯片功耗。结合PTPX的精准功耗分析，设计者可在设计早期识别高功耗模块，并通过逻辑优化和工艺库调整实现能效最大化。随着工艺节点向3nm及以下推进，Design Compiler的低功耗技术将持续推动芯片设计向更高能效演进。