IEC 61523-42023 延迟和功率计算标准.第4部分低功率、能量感知电子系统的设计和验证标准立项发展报告

低功率、能量感知电子系统的设计与验证标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:DelayandPowerCalculationStandards-Part4:DesignandVerificationofLow-Power,Energy-AwareElectronicSystems摘要随着物联网、移动计算与边缘人工智能技术的迅猛发展，电子系统的功耗管理与能量效率已成为制约芯片性能和系统续航能力的关键瓶颈。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年10月正式发布了IEC61523-4:2023《延迟和功率计算标准第4部分：低功率、能量感知电子系统的设计和验证》。该标准作为IEC61523系列标准的重要组成部分，为低功耗电子系统的设计与验证提供了统一的技术框架和规范化的设计流程，填补了国际标准在能量感知设计与验证领域的空白。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术框架、核心内容及其行业应用价值，分析了其与IEEE1801（UPF）、IEEE1685（IP-XACT）等国际标准的协同关系，并对标准实施的技术要点与未来发展趋势进行了展望。报告指出，该标准的发布将有力促进低功耗电子设计自动化工具链的互操作性，降低跨行业、跨领域的低功耗设计门槛，为全球半导体产业向能量高效化方向转型提供权威的技术支撑与标准化指导。关键词：低功耗设计；能量感知；设计与验证；延迟与功率计算；国际电工委员会；电子设计自动化Keywords:Low-PowerDesign;Energy-Aware;DesignandVerification;DelayandPowerCalculation;IEC;ElectronicDesignAutomation一、引言1.1立项背景随着半导体工艺节点持续微缩至5纳米及以下，芯片功耗密度不断攀升，功耗与热问题日益突出。在消费电子、汽车电子、工业控制、通信基础设施及物联网终端等众多应用领域，对低功耗电子系统的需求已经由"可选优化项"转变为"必须满足的设计约束"。与此同时，能量采集技术、电池供电设备的广泛部署，使得能量感知设计（Energy-AwareDesign）成为系统级芯片（SoC）设计中不可或缺的核心环节。然而，长期以来，低功耗电子系统的设计与验证工作面临多重挑战。首先，各电子设计自动化（EDA）工具供应商对低功耗设计意图的描述格式不统一，导致设计流程中不同工具之间的数据交换困难；其次，缺乏统一的功耗计算与验证标准，使得设计结果在不同工具链之间的可复现性和可比性不足；最后，面向功耗感知验证的标准化方法缺失，导致验证团队难以高效地建立覆盖功耗行为的验证环境。1.2标准定位IEC61523-4:2023标准在上述行业痛点的驱动下立项并发布，旨在提供一套与国际可互操作的标准延迟和功率计算格式（StandardDelayFormat,SDF）和功耗格式（PowerFormat）相兼容的技术方案。该标准属于IEC61523系列标准中的第4部分，聚焦于低功率、能量感知电子系统的设计语言表达与验证方法。标准基于电子系统级（ESL）设计方法论，为功耗状态的描述、功耗模型的构建以及能量感知验证流程提供了统一的标准化接口。1.3编制过程概述IEC61523-4的编制工作由国际电工委员会（IEC）下设的相关技术委员会组织，广泛吸纳了全球EDA企业、半导体制造商、IP供应商、系统集成商和学术界专家的意见。在标准编制过程中，工作组成员充分参考了IEEEStd1801™（UnifiedPowerFormat,UPF）、IEEEStd1666™（SystemC）、IEEEStd1685™（IP-XACT）以及AccelleraSystemsInitiative发布的相关技术规范，确保新标准与既有国际标准体系的协调与兼容。经过多轮草案修订、公开评审与技术评议，该标准于2023年10月11日正式发布，成为现行有效标准。ISO/IEC标准制定流程参考了ISO/IECDirectivesPart1和Part2的相关规定，确保标准文本的技术严谨性与编制过程的规范性。二、标准主要内容2.1标准范围与适用对象IEC61523-4:2023适用于以下对象和应用场景：（1）SoC与ASIC设计团队：进行低功耗芯片架构设计、RTL设计与物理实现；（2）EDA工具开发商：开发支持功耗感知综合、功耗分析、功耗验证等功能的工具；（3）IP核供应商：提供符合低功耗设计标准的可复用IP；（4）系统集成商：在系统层面进行功耗规划与能量预算分配；（5）验证服务提供商：建立功耗感知验证方法学及验证IP。2.2标准技术架构标准围绕低功耗电子系统的设计与验证，构建了以下核心技术要素：（1）功耗状态描述（PowerStateDescription）标准定义了统一的形式化语言来描述电子系统中各组件的功耗状态（如运行态、空闲态、睡眠态、深度睡眠态等），以及状态之间的转换条件与转换延迟。该描述方法不依赖于特定的实现语言，可与标准硬件描述语言协同使用。（2）能量感知设计意图表达（Energy-AwareDesignIntentRepresentation）借鉴IEEE1801UPF等既有成果，标准提供了标准化的数据模型和语法，用以表达电源域划分、电压调节策略、功耗管理单元配置等设计意图。通过这一统一的表达方式，设计团队可以在设计流程的早期阶段明确功耗约束，从而有效避免后期反复迭代带来的时间和成本开销。（3）功耗计算模型（PowerCalculationModels）标准定义了线性功耗模型（LinearPowerModel）、查找表功耗模型（Look-UpTablePowerModel）等功耗计算模型的标准化接口。功耗计算模型支持在系统级、寄存器传输级和门级等不同抽象层级进行功耗估算，为设计早期的功耗评估和设计后期的精确功耗分析提供了统一的基础。（4）能量感知验证方法（Energy-AwareVerificationMethodology）针对传统验证方法无法有效处理功耗状态切换时序和数据依赖的问题，标准引入了面向能量感知的验证方法框架，包括功耗状态可达性检查、功耗切换序列验证、电压下降场景建模与验证等。（5）协同仿真接口（Co-SimulationInterfaces）标准定义了功耗仿真工具与功能仿真工具协同工作的接口规范，使功耗信息可与功能行为同步联动，提高仿真精度和效率。2.3标准主体章节结构IEC61523-4:2023在整体结构上延续了IEC61523系列标准对延迟计算（第1部分）和功耗计算（第2部分）的既有框架，同时面向低功耗设计验证新增了第4部分的内容。标准文本主体包括以下章节：-范围与规范性引用文件；-术语、定义与缩略语；-能量感知电子系统设计流程参考模型；-低功耗设计意图的标准化表达；-功耗状态模型与功耗管理描述；-功耗计算接口与模型交换格式；-功耗感知验证方法学；-工具互操作性要求。上述章节依次构成了"设计意图表达—功耗建模—验证方法—工具交互"的完整链条，为标准的落地实施提供了清晰的技术路径指引。三、标准技术要点分析3.1与现有标准体系的兼容性IEC61523-4在制定过程中充分考虑了与现有国际标准的兼容性和互补性：-与IEEE1801UPF的协同：IEC61523-4沿用UPF中的基本概念（如供电集、电源域、隔离策略等），并在此基础上进一步扩展了面向验证的形式化语义描述；-与IEEE1666SystemC的协同：该标准支持SystemC事务级建模框架下的功耗建模与仿真扩展，使系统级架构探索阶段的功耗评估成为可能；-与IEEE1685IP-XACT的协同：标准支持将功耗状态信息嵌入IP元数据描述中，使IP在不同集成环境中的功耗行为描述具有一致性；-与IEC61523系列其他部分的衔接：第4部分标准延续了IEC61523-2（功耗计算）中的功耗对象模型，同时补充了面向能量感知验证的扩展要求。IEC61523-4:2023的发布与上述标准共同构成了一个完整的低功耗设计标准化生态体系。3.2关键技术创新（1）统一功耗状态数据模型：标准以独立于具体实现方式的功耗状态模型为核心，采用统一数据模型（UnifiedDataModel）来描述设计层次化结构、供电配置与功耗行为，支持在不同EDA工具之间的无缝传递。该模型涵盖功耗域、功耗状态及状态转换等核心对象，为工具链之间的信息交换提供了标准数据基础。（2）面向验证的形式化语义：除了描述性的设计意图表达外，标准特别引入了面向验证的形式化语义定义，使得功耗状态切换的可达性、活性和安全属性可由形式化验证工具进行自动检查。（3）功耗模型的抽象层级映射：标准明确了从系统级到晶体管级不同抽象层级的功耗模型映射方法，支持设计者在精度和速度之间进行灵活权衡。（4）标准化的功耗验证覆盖模型：定义了功耗验证覆盖模型（PowerCoverageModel）的标准化指标体系，为验证完备性评估提供了量化依据。（5）多源工具数据交换格式：通过标准化的数据交换格式（遵循IEEE1801-2015等既有格式约定），降低多供应商EDA工具链的集成成本。3.3技术适用性分析从技术适用性的角度来看，IEC61523-4:2023涵盖的应用范围主要包括：-移动应用处理器与基带芯片的功耗管理验证；-汽车电子控制单元（ECU）的低功耗设计验证；-物联网终端SoC的能量预算验证；-边缘AI加速芯片的功耗-性能平衡设计验证；-可穿戴设备与医疗电子设备的超低功耗设计验证。四、标准实施与行业影响4.1标准实施的技术要求对于拟将IEC61523-4:2023应用到实际设计流程中的企业而言，标准实施的关键技术要点包括：（1）设计流程整合要点在实施时，应重点关注功耗设计意图建立、功耗状态定义、功耗约束传递、验证计划构建、覆盖率收敛等关键环节，确保标准要求与现有设计流程有机结合。（2）设计数据库与数据管理体系的建立有效的标准实施依赖于完整的设计数据库（DesignDatabase）的建立，包括功耗状态信息、功耗模型参数、设计约束及验证结果等数据的统一管理和版本控制。（3）团队成员培训标准实施须要求团队成员深入理解标准定义的概念模型、语法语义及其工程含义。建议企业组织专项培训，并建立内部的标准咨询和技术支持机制。（4）与现有工具链的集成路径企业应在主流EDA工具链中逐步实现标准所定义的功耗状态描述文件和功耗模型交换格式的导入导出能力，并通过试点项目积累实践经验和最佳实践范例。4.2行业影响分析IEC61523-4:2023的发布将对集成电路设计行业产生深远影响：（1）促进低功耗设计流程的标准化：统一的低功耗设计意图表达方法将有助于缩短设计周期，降低多工具集成的复杂度。（2）提高功耗验证的可信度：标准化的功耗验证方法有助于提高功耗验证结果的可靠性和可复现性，从而降低芯片因功耗问题导致的返工风险。（3）推动IP生态的健康发展：可互操作的功耗描述格式使得低功耗IP的复用更加便利，促进IP生态系统的繁荣。（4）支持新兴应用场景的发展：在汽车功能安全、工业物联网、智慧医疗等高可靠性场景中，标准化低功耗设计方法有助于满足严格的能量预算和可靠性要求。（5）助力学术研究与产业实践的对接：统一的标准体系为学术研究中的低功耗设计方法提供了产业化转化的桥梁，推动先进低功耗技术从实验室走向市场应用。4.3国际市场应用前景IEC61523-4作为IEC发布的国际标准，具有广泛的国际市场适用性。在全球半导体产业链高度协同的背景下，该标准的发布有助于统一各国在低功耗设计领域的认识和实践，促进跨国设计团队的无缝协作和IP跨境流通，减少因技术规范不一致造成的贸易壁垒。尤其是在亚太地区半导体制造与设计产业快速增长的背景下，该标准的国际应用前景值得期待。五、标准修订单位及主要参与单位介绍5.1标准制定组织——国际电工委员会（IEC）IEC61523-4:2023由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）归口管理。IEC成立于1906年，总部位于瑞士日内瓦，是全球成立最早的国际电工标准化机构，负责电工技术和电子工程领域的国际标准化工作。IEC与ISO（国际标准化组织）共同构成了全球最具权威性的两大国际标准制定体系。IEC的成员国覆盖全球170多个国家和地区，其发布的标准被广泛认可为国际贸易和技术交流中不可或缺的技术依据。IEC下设多个技术委员会（TC）和分技术委员会（SC），分别负责不同专业领域的标准化工作。IEC61523系列标准主要涉及电子设计自动化领域的延迟和功耗计算标准化工作，其标准制定过程严格遵循IEC导则所规定的程序，包括提案阶段（NP）、准备工作草案阶段（WD）、委员会草案阶段（CD）、国际标准草案阶段（DIS）及最终国际标准草案阶段（FDIS）等若干阶段。5.2主要参与单位介绍AccelleraSystemsInitiative：作为全球领先的电子设计自动化标准制定组织，Accellera在IEC61523-4的制定过程中发挥了关键的技术支撑作用。该组织长期致力于推动电子设计自动化领域开放标准的制定与推广，其发布的统一功耗格式（UPF）标准被广泛采纳。Accellera通过技术工作组向IEC61523-4的编制工作提供了丰富的技术输入和工程实践案例，有效促进了IEC标准与行业实际需求的紧密结合。国际半导体产业界主要企业：包括全球领先的EDA工具供应商、半导体制造企业和系统级芯片设计企业等，在标准制定过程中提供了大量的技术数据、工程验证案例和最佳实践反馈。这些企业包括（但不限于）新思科技（Synopsys）、楷登电子（Cadence）、西门子EDA（SiemensEDA）等全球头部EDA企业，以及ARM等IP供应商。这些企业的深度参与确保了标准在工程实践中的可操作性和技术前瞻性。学术界与科研机构：来自多所国际知名大学和研究机构的学者参与了标准中形式化语义和验证方法学部分的研讨与评审工作，为标准的技术严谨性提供了学术保障。六、结论与展望IEC61523-4:2023的发布标志着低功率、能量感知电子系统设计与验证领域国际标准化工作取得了重要进展。该标准通过统一功耗状态描述、设计意图表达、功耗计算模型和验证方法，为全球集成电路产业提供了一套全面而系统的低功耗设计标准化解决方案。标准在充分继承IEEE1801等既有成果的基础上，进一步拓展了面向验证的形式化语义和覆盖模型，填补了能量感知验证标准化领域的空白，具有重要的技术引领和产业指导价值。展望未来，随着人工智能、物联网和高性能计算等应用需求的持续增长，低功耗设计技术的重要性将进一步提升。IEC61523-4标准的后续修订方向预计将重点围绕以下方面展开：1.面向先进封装与异构集成的功耗建模扩展，以支撑Chiplet（芯粒）和2.5D/3D封装技术背景下的功耗协同设计与验证需求；2.与功能安全标准的深度集成，建立低功耗设计与功能安全分析之间的标准化接口；3.支持基于机器学习的功耗预测与优化方法，将数据驱动的低功耗设计方法纳入标准框架；4.低功耗验证方法的持续完善，涵盖更多新兴验证方法和场景，帮助设计团队全面捕获功耗相关缺陷；5.面向芯粒（Chiplet）集成设计的扩展，覆盖异构集成场景下的功耗验证需求；6.进一步推动低功耗设计标准与云原生EDA平台的融合，拓展标准在云端设计环境中的适用范围，为全球设计团队的云端协同提供统一技术底座。在全球半导体产业向能量高效化方向加速转型的进程中，IEC61523-4:2023将成为支撑产业创新和发展的关键标准之一。各相关企业和研究机构应积极跟踪标准动态，加强技术能力建设，推动标准的落地实施，共同促进低功耗电子系统设计技术的持续进步与国际标准化生态的繁荣发展。参考文献[1]IEC61523-4:2023,Delayandpowercalculationstandards-Part4:DesignandVerific