低功耗格式速查入门：一堆缩写，一次串清楚

更新时间：2026-09-15。本文是「集成电路大类 · 低功耗设计与验证」入门层系统篇第 40 篇。进入低功耗流程，文件后缀和缩写会突然变多：UPF、CPF、.lib 里的 pg_pin、SAIF、FSDB、SPEF、SDF……它们不是同一种东西，而是在一条流水线的不同工位传递不同信息。这一篇按「描述意图—描述器件—描述物理—描述活动—产出报告」把它们摆清楚，不追求语法大全，只求再看到时知道它在说什么、谁在消费它。系统地图见低功耗导读。

一张总表：谁在流水线的哪个位置

类别	格式/文件	说什么	谁生产	谁消费
功耗意图	UPF（IEEE 1801，Tcl 语法）	电源域、电源网、隔离/保持/转换/开关规则、电源状态表	低功耗架构/前端	仿真、综合、物理、验证、签核全流程
功耗意图（另一流派）	CPF	与 UPF 几乎一一对应的同类信息	同上	Cadence 流程
器件数据	Liberty .lib（NLDM/CCS）	每个单元的时序、漏电表、内部功耗、pg_pin、特殊单元属性	库/代工厂	所有数字流程
物理寄生	SPEF	线网的 R/C 寄生	寄生提取（物理设计后）	STA、IR-drop/EM、精确功耗
时序约束	SDC	时钟、例外、门控时钟检查	前端/约束工程师	综合、STA、物理
门延时反标	SDF	门延迟与时序检查值	STA/物理	门级（功耗）仿真
活动率	SAIF	每个节点的翻转率/静态概率（紧凑摘要）	仿真/模拟器	功耗分析
波形活动	VCD/FSDB	逐时刻 0/1 波形（信息全、体积大）	仿真/逻辑分析仪	周期级/门级功耗分析
检查	低功耗检查报告（常称 LP/CLP check）	无隔离穿越、未供电连接、规则违规	校验工具	工程师签收

一句话：意图靠 UPF/CPF，器件成本靠 Liberty，物理现实靠 SPEF/SDF，「用得有多狠」靠 SAIF/VCD/FSDB。

二、UPF：一份意图，全流程共用

UPF 的关键命令按「画电网」和「立规矩」两组记（概念背景见 UPF 入门与电源域篇）：

# 画电网：电源从哪来、走哪些网、域用哪一路
create_power_domain PD_CORE
create_supply_net VDD   -domain PD_CORE
create_supply_net VSS   -domain PD_CORE
# 立规矩：跨 OFF 域边界要隔离；要保留的寄存器进 retention；
# 跨 0.7V/1.8V 边界自动插电平转换器；域电源经开关
set_isolation iso_core -domain PD_CORE -isolation_power_net VDD_AON -clamp_value 0
set_retention ret_core -domain PD_CORE -retention_power_net VDD_RET
set_level_shifter ls_core -domain PD_CORE
create_power_switch sw_core -domain PD_CORE -input_supply_port {vin VDD} -output_supply_port {vout VDD_SW}
add_power_state ...   ; # 电源状态表：ON / RET / OFF 及迁移

同一份 UPF 会被：仿真器读（决定哪里变 X、哪里被钳位，见低功耗验证）、综合读（自动例化隔离/保持/转换单元）、物理读（布电源开关和 always-on 走线）、签核读（检查连接完整性）。这就是「意图只写一遍、各工具各自落地」的工程价值，也是评审必须先审 UPF 的原因（评审清单见低功耗设计流程）。

CPF 是 Cadence 提出的等价格式，概念映射直接：power domain→power domain、isolation→isolation、retention→retention、level shifter 同名、power state table 同名。遇到 .cpf 不必慌，它只是另一套命令名的同一张电网图。

三、Liberty 里的功耗三张表

功耗分析器算每一块门的电费，数据全在标准单元库 .lib（标准单元与库的背景见逻辑综合与物理设计）：

• leakage_power：单元不通时的静态漏电，按工艺角（尤其温度、阈值电压变体 LVT/SVT/HVT）给值；常带 when 条件表——同一单元输入向量不同，漏电流也不同（栈效应/输入依赖）。
• internal_power：单元内部（不含外部负载）的充放电与穿通能量，按上升/下降沿、输入引脚、输出负载分组（rise_power/fall_power 与 timing group 关联）；外部负载上的开关功耗由工具用 ½·C·V²·f 自行算，C 来自库引脚电容+SPEF 线电容。
• 特殊单元属性：隔离单元、保持触发器、电平转换器、电源开关、always-on 单元有专用 pg_pin、retention、level_shifter 等属性与功耗模型，让工具识别并正确连接/校验。
• 状态相关功耗：复杂单元（如 SRAM、PLL macro）按功能状态（active/retention/off）给不同功耗，对应宏模型。

这解释了为什么换库/换工艺角后功耗数字会大变：漏电随温度指数、随阈值选择大幅变化（见漏电与工艺），库数据本身就不同。

四、活动率输入：SAIF 与波形

光有结构和库，功耗分析还缺「每个节点翻多勤」——α（见翻转率篇）：

• SAIF（Switching Activity Interchange Format）：仿真的统计摘要——每个信号 0→1/1→0 次数、静态概率、毛刺计数等，文件小、足够跑全芯片平均功耗，是综合后功耗分析的主力输入。
• VCD/FSDB：完整逐周期波形（FSDB 是压缩二进制），信息全但体积巨大，用于周期级/门级 DPA 的短窗口分析（取舍见 DPA 篇）。
• 无向量估计：早期没有仿真时用默认翻转率或 propagate 从输入沿推算，只能做架构粗估，不能签收。

来源可以是 RTL 仿真（快但只给寄存器/可见节点，内部靠传播）、门级 SDF 仿真（含真实毛刺）或 emulator/原型回注（长软件场景，见仿真器功耗）。

五、SPEF/SDF：物理精度的两个 S

• SPEF：物理设计完成后提取的每根线电阻电容。动态功耗的负载电容、IR-drop 的压降、EM 的电流密度都要用它；没有 SPEF 的功耗数字只算「粗略」。
• SDF：标注到门级网表的延迟，让仿真长出真实毛刺与时序关系——门级功耗仿真必须，RTL 级不用。
• SDC 本身不携带功耗数据，但其中的时钟定义决定了功耗分析的 f，门控时钟的时序豁免/检查也在这里表达。

物理签核的关系：SPEF+电源网格+电流分布→IR-drop/EM 签核（见 IR-Drop/电源网格）；SPEF+Liberty+SDF+活动率→功耗签核。

六、一次完整流转（从文件视角）

1. 架构写 UPF（域/隔离/保持/状态表），评审冻结。
2. RTL 仿真器加载 UPF 跑低功耗验证；普通仿真产出 SAIF/VCD。
3. 综合读 RTL+UPF+Liberty+SDC，插特殊单元，结合早期 SAIF 出首版功耗报告（含门控覆盖率）。
4. 物理实现后提取 SPEF，用更真实的电容重算功耗、做 IR/EM。
5. 门级网表回标 SDF 做门仿，产出门级 SAIF/FSDB，跑 DPA 峰值/平均签核。
6. 低功耗结构检查（LP check）对网表+UPF 做最终连接审计，出签收报告。

七、功耗报告怎么读：三张表的基本读法

工具产出的功耗报告（不同工具格式不同，但骨架相通）一般分三层，新人按这个顺序读最快：

1. 顶层汇总表：总功耗 = 开关功耗（switching）+ 内部功耗（internal）+ 漏电功耗（leakage），再按动态/静态归类。先看漏电占比：待机类产品漏电超过三成就应回去查高阈值单元使用和 SRAM 保持策略。
2. 模块/层次排序表：按层次展开各模块功耗及占比，一眼定位前三号大户。注意它是「层级视角」：父模块数字包含所有子模块，比较时要在同一层级比。
3. 网络/单元明细表：可下钻到具体单元和网线，给翻转率、电容、能量。排查单点异常（某根线翻转率异常高常指向上游 bug 或毛刺，见毛刺篇）时用。

读法纪律：先确认报告的前提条件（什么工艺角、什么电压温度、什么 SAIF/向量、是否含线电容 SPEF），脱离前提比较两个数字是报告解读第一事故。报告读法的完整实践见功耗报告怎么读。

八、UPF 与 CPF 的现实协作

工程里偶尔会碰到两套格式并存或转换的情形，记住几点：

• 概念几乎一一对应：电源域、电源网、隔离、保持、电平转换、开关、电源状态表在两边都有，差异主要是命令语法和工具生态；
• 不要手工长期双维护两份意图——必然漂移；以一套为主，另一套由工具/脚本生成，并做结构 diff；
• 读别人的 CPF 时，按「电网→域→规则单元→状态表」四步翻译回脑内模型即可，不必背命令名。

九、文件清单速查：项目目录里看到这些别发懵

看到的文件	立刻知道
.upf/.pf	功耗意图，低功耗一切的源头，改动要全流程回归
.lib/.db	单元时序功耗数据，换库=所有数字重算
.saif	活动率摘要，问清是 RTL 级还是门级、哪段向量
.vcd/.fsdb	完整波形，体积大，只喂短窗口
.spef	物理寄生，后端精度的标志
.sdf	门延迟，门仿/毛刺功耗必备
*lp*report*	低功耗结构检查报告，跨域违规看它

• 误区：UPF 是实现阶段的脚本。 它是从验证到签核共享的设计意图源，写错全流程一起错。
• 误区：.lib 里一个功耗数字用到底。 漏电分状态、分工艺角、分温度；签核必须在规定 PVT 角各算一遍（多工艺角/温度角签核是 #45 待写篇《多角多模签核》的主题）。
• 误区：拿 RTL SAIF 算门级毛刺。 看不到门级延时就没有毛刺活动，深组合模块会被低估。
• 误区：VCD 越大越准，全芯片都喂波形。 数据量会压垮工具；全芯片用 SAIF，关键窗口才用波形。

这一篇在知识体系里的位置

• 上游：低功耗设计流程给工位顺序，UPF 入门给意图语法背景。
• 本片：把各工位之间传递的文件一次对齐。
• 下游：活动率怎么来见翻转率/DPA；签核角见待写篇《多角多模签核》；库与物理背景见逻辑综合/物理设计。

十、最小 UPF 片段的逐行解读

再把第二节的骨架片段与网表实物对应起来，帮助建立「写 UPF 时电路里发生什么」的画面：

• create_power_domain 不创建任何物理电路，它只是给一组层次路径打上「属于哪个域」的标签——后续所有规则都按这个标签归集；
• create_supply_net 定义逻辑电源网对象，supply port 负责在层次边界把网接进接出，完整设计里顶层网还要连到芯片供电引脚与 PMIC 来的真实轨（系统侧见 PMIC 篇）；
• set_isolation ... -clamp_value 0 让工具在域边界例化隔离单元，关电后对外钳 0；选 0 还是 1 取决于对方接口的有效极性，是评审必问项；
• set_retention ... -retention_power_net VDD_RET 让工具把域内被点名的普通触发器换成带保持功能的版本，其保持供电脚接常开网，保存/恢复控制脚交给电源管理 FSM；
• create_power_switch 在主轨与开关轨之间例化 header 晶体管组，涌流控制（分段/链状使能）与其连接方式有关；
• add_power_state 写电源状态表（ON/RET/OFF 的合法供电组合与迁移），它既是仿真器判定 X/钳位的依据，也是低功耗验证覆盖率模型的状态空间。

新手常问：这些规则单元为什么不让综合自由插？因为隔离放在关电侧还是常开侧、保持控制用哪路电源与时钟、转换器放域内还是域外，都决定掉电时电路是否正确——必须由人用意图显式管辖，工具只负责无遗漏地落地。

十一、一个常见误区：把格式文件当文档读

新人第一次打开几 MB 的 .lib 或几千行 SAIF 容易被吓到，记住这些文件是给工具消费的，人只需要会定位片段：查某个单元漏电，在 .lib 里搜单元名再看 leakage_power 块；查某节点活动率，在 SAIF 里搜层次路径读 TC（toggle count）和 SP（static probability）；查 UPF 意图则只需通读人写的顶层 .upf（通常只有几百行），不要去读工具展开后的临时文件。

另一个实务点是版本归档：一次功耗签核必须能复现，因此归档清单至少包括 RTL/网表版本、UPF 版本、库版本与工艺角、SDC/SPEF/SDF 文件、活动率文件及产生它的仿真种子、工具版本与命令脚本。少了其中任何一项，几个月后被问「这个 12.3mW 怎么来的」就无法重建。低功耗数字本质上是「前提+输入+工具」的函数，格式文件就是这个函数的全部参数（流程总览见低功耗设计流程）。

十二、与芯片设计其他格式的边界

容易混淆的几对概念顺手分清：SDC 描述「时间要求」，SDF 携带「已算出的延迟」——前者是人写的约束、后者是工具产出的结果；SPEF 是「无源寄生」（电阻电容网络），SPICE 子电路模型才包含有源器件；SAIF 只有统计量（小、快、适合全芯片），VCD/FSDB 有时刻波形（大、慢、适合关键窗口的 DPA 与调试）。功耗工程师不需要手写 SPEF 或 SDF，但必须知道何时该把它们要进分析输入——一个只用线负载模型、没有 SPEF 的「签核」功耗数，在深亚微米以下不具备签收资格。同理，评审报告时若发现对方拿 RTL 级 SAIF 喂门级网表、却声称已含毛刺，应当直接退回，这是比小数点误差严重得多的方法论错误，会系统性低估所有深组合模块。

一句话收口：UPF/CPF 说「我想要什么电网」，Liberty 说「每个开关值多少钱」，SPEF/SDF 说「物理世界长什么样」，SAIF/VCD 说「日子过得多热闹」，报告说「这单电费你签不签」。

总结

低功耗流程里的文件各司其职：UPF/CPF 用一份电源意图（域、隔离、保持、电平转换、开关、PST）贯通仿真到签核全流程，Liberty .lib 提供漏电、内部功耗和特殊单元模型，SPEF/SDF 提供物理寄生与门延时，SAIF/VCD/FSDB 分别承载紧凑活动率统计与完整波形；红线是不能用 RTL 级 SAIF 冒充门级毛刺、不能全芯片喂巨大 VCD，且每次签核必须把 RTL、UPF、库角、活动向量和工具版本完整归档才可复现。