2022年超大规模集成电路中低功耗设计与分析 .pdf

摘要摘要随着 IC 设计的规模更大，速度更快，以及便携式设备的广泛需求，设计中功耗的问题越来越凸现出来， 所以在整个设计流程中就需要对功耗进行分析和低功耗设计，这些技术可以保证芯片的每一部分都能高效、可靠、正确地工作。选择合适的低功耗手段， 必须以细致的功耗预估为前提， 并且也要掌握工具的适用范围和能达到的低功耗底限。在流程中尽可能早的分析出功耗需求，可以避免和功耗相关的设计失败。 通过早期的分析， 可以使用高层次的技巧来降低大量的功耗，更容易达到功耗的要求。本论文围绕数字 CMOS 电路的功耗问题进行展开，主要分成两大部分。首先针对超大规模集成电路中的功耗分析进行探讨，介绍了在RTL 级、门级不同层次上对功耗进行分析的方法和对实际设计的指导意义，并对一个450万门的超大规模芯片在各层次上进行功耗分析，并和流片后测试得到的结果有着很好的吻合。然后是对低功耗进行了一些结构上的设计。动态电压缩放（DVS）技术是一种通过将不同电路模块的工作电压调低到恰好满足系统最低要求来实时降低系统中不同电路模块功耗的方法，有着良好的应用前景。 本论文实现了一款动态电压缩放（ DVS）电路，可应用于突发吞吐量工作模式的处理器，通过和一个电路实例的整体仿真，验证了该DVS 电路的低功耗效果。关键字：低功耗；功耗分析；动态电压缩放I 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 49 页 - - - - - - - - - Abstract Abstract Liu Hainan (Microelectronics and Solid-State Electronics) Directed by Professor Zhou YumeiAs the design of IC go into larger and faster, the issue about power consumption is more critical. It is necessary to analysis the power accurately and manage low power techniques in every step of the design flow, so as to assure the efficient, reliable and correct function. Choosing the appropriate low power solutions depends on careful power analysis as well as understanding the capabilities of available tools. Analyzing power requirements as early as possible in the design flow helps avoid power related disasters. Early analysis also makes power goals easier to attain because higher-level techniques save the greatest amount of power. The thesis is made up of two main parts based on the discussion of the digital CMOS power consumption. First of all, this thesis introduces and demonstrates a top-down VLSI design methodology for power analysis, discuss the method to estimate the power on RTL and gate level, which could serve as a guide to the floorplan and place & route. And estimate the power consumption about a 4.5 million VLSI on several level, draw some conclusion from comparing the test result of the fabricated chip. In the second, completed a low power technique on the structure level. Dynamic Voltage Scaling is a technique using the lowest level voltage in real time on different block dramatically reducing energy consumption, while maintaining the desired level of performance, which has a nice prospect to realize low power. The thesis has developed a DVS circuit, which could get the corresponding lowest voltage according to the system frequency. Take a 16X16 multiplier as a test circuit to simulate together, proving the low power action of DVS. Keyword:low power, power analysis, Dynamic Voltage ScalingII 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 49 页 - - - - - - - - - 目录目 录摘 要 目 录 第一章 绪论 1 1.1 前言 1 1.2 低功耗设计研究的现状 2 1.3 论文的内容与安排 3 第二章 低功耗设计方法 5 2.1 功耗模型 5 2.2 低功耗设计方法 6 2.3 各个层次上的功耗预估 132.4 450 万门超大规模芯片的功耗预估 20 第三章 动态电压缩放电路 24 3.1 DVS概述 24 3.2 DVS的适用范围 28 3.3 DVS的应用 31 3.4 DVS的性能指标 32 3.5 动态 DC-DC 转换器的设计考虑 34 第四章 动态电压缩放控制电路的实现 41 4.1 DVS原理框图 41 4.2 电路的实现 43 4.3 电路的仿真与低功耗验证 53 第五章 总结 57 参考文献 58 发表文章目录 60 致 谢 61III 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第一章绪论第一章绪论一、 前言随着微电子技术的迅猛发展，最突出的表现是特征尺寸的不断缩小，集成度遵从摩尔定律不断提高。1964 年，Intel 公司创始人之一Golden Moore 便预测说集成在单个硅芯片上的晶体管数量每18 个月将会翻一番， 同时芯片成本也将相应下降，这就是著名的“摩尔定律”。集成电路芯片的功能变得更加丰富，工作速度越来越快，器件尺寸越来越小，芯片的成本越来越低。当前系统芯片（SOC）成为微电子发展的必然趋势。基于SOC的芯片设计是将更大，更复杂的系统集成于单个芯片。单个芯片内可能集成通用微处理器核 (MCU Core)、数字信号处理器核 (DSP Core)、存储器核(Memory Core)、专用电路 (ASIC)等1。系统功能的多样性和复杂性一方面增加了芯片功耗，对低功耗设计和精确预估功耗提出了挑战；另一方面也提供了更多降低功耗的机会。与此同时，器件越做越小，工作频率越来越高，使芯片单位面积的计算负荷迅速上升，导致高性能芯片的功耗越来越大。尤其是在进入90nm后，芯片频率可能高达3GHz，其巨大的发热现象极大地影响了芯片功能的实现，已经被业界称为发热壁垒。功耗的迅速增加将会引起一系列的问题，比如芯片的散热措施也需要不断更新，从改变封装形式到添加散热装置，明显地增加了芯片的成本。最新的苹果 Mac5 处理器，已经开始采用水冷散热的措施。在半导体工艺不断进步的同时，以电池为供电形式的手持设备和笔记本电脑等便携式电子产品迅速普及开来，系统的功耗已经成为这些系统设计首要考虑的因素。 尽管电池技术一直在提高， 但与半导体和通信产业的飞速发展相比，它的供电能力和重量一直是便携设备的瓶颈。在过去的 30 年中，电池的容量仅增加了 24倍2，不可能跟上集成电路发展的要求。低功耗设计对于确保合理的电池工作时间是具有决定意义的，所以说，各种便携式通信及其它消费电子产品的快速发展，是要求低功耗设计的一个直接推动因素。 1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析另一个与功耗有关的问题是可靠性。功耗增加会引起芯片温度的升高，将引发一系列的故障机制，如硅片连线故障、封装故障、电学参数漂移、电迁移等等，都会导致器件可靠性下降。温度每升高10，器件的故障率就要提高2倍3。高速数字电路中的地线反弹（Ground Bounce）现象也要求对功耗进行细致的分析，尤其是对瞬态的功耗分析有更为迫切的要求。随着数字电路工作频率的不断提高，其输出跳变速率也不断上升，再加上I/O 数目的增加，在接电源、地引脚上的电流变化率也会大大上升，而使芯片内部电源、地线的电压有一个较大的变化，会损害信号的完整性，这就需要功耗完整性（Power Integrality）方面的考虑。 PI 是不能够避免的，但可以从各个方面着手降低这方面的影响，比如封装形式、容性负载，电路板级优化等。如果能够降低芯片的功耗，就会使电流的绝对数值减小，对降低地线反弹会有直接的改善。基于以上原因低功耗设计越来越引起人们的关注，已经继速度、 面积之后，和可测性一起成为现在VLSI 设计中的又一个热门领域。二、 低功耗设计研究的现状低功耗电路设计就是在电路设计过程中采用各种设计手段，降低电路的功耗，当然所采用手段不能明显降低电路的时序性能，电路应该是一个合理的速度、面积、功耗和可测性的折衷。根据低功耗措施介入电路设计阶段的不同，低功耗设计方法可以分为多个层次，按照抽象层次的不同，可以分为：系统级、算法级、结构级、逻辑门级、电路级、版图级和工艺级。每个级别可以达到的低功耗设计效果也完全不同。抽象层次越高表明在数字系统的设计中进行低功耗考虑得越早，所采用的低功耗设计策略的效果就会越明显。系统级低功耗设计主要考虑软硬件分工、动态电压管理等方面，它研究的重点是数字系统如何操作和控制各个芯片的工作，达到降低功耗的目的。算法级的低功耗设计研究主要在算法的复杂性、规整性和所需的数据精度几个方面。2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第一章绪论结构级可以使用包括并行化处理、 流水线处理和分布处理在内的并发处理，以及门控时钟、操作数隔离和电源管理的方法降低功耗。逻辑门级低功耗设计的主要手段有：工艺映射、改变晶体管尺寸、缓冲器插入、调整相位、管脚置换和因式化简等。电路级主要利用动态逻辑、 传输门逻辑、 异步逻辑等电路结构来降低功耗。在版图级阶段，设计者可以考虑互连线电容的降低和以功耗驱动的自动布局布线来降低功耗。工艺级是可以进行低功耗考虑的最低层次，也就是在具体电路实现采用某些措施来降低电路的功耗，在这个层次主要可以考虑：逻辑类型的选择、优化工艺降低电容、电压缩小（voltage scaling）等方面。这里的电压缩小是指在具体电路实现时通过降低电路的供电电压来达到降低功耗的目的，是系统级的动态电压管理的具体实现。抽象层次的合并与细化会产生其他不同的分类方法，但这些技术的基本思想都是为了降低电源电压、电压摆幅、电容、开关活动率中的一项或几项。国外很多大学和公司都开展了数字电路的低功耗研究，在各个层次上都进行了很深入的研究，并取得了很显著的成果。我国在集成电路的低功耗研究的各个层次上也都有所开展，主要集中在各高校和研究所。三、 论文的内容与安排本论文围绕数字 CMOS 电路的功耗问题进行展开，主要分成两大部分。首先针对超大规模集成电路中的功耗分析进行探讨，介绍了在 RTL 级、门级不同层次上对功耗进行分析的方法和对实际设计的指导意义，并对一个450万门的超大规模芯片在各层次上进行功耗分析，根据流片后测试得到的结果，得到一个相互对照的结论。然后是对低功耗进行了一些结构上的设计，实现了一款动态电压缩放（ DVS）电路，适用于突发模式的处理器，并和一个电路实例一起进行仿真，验证了该DVS 电路的低功耗效果。研究重点及章节安排如下： 3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析第二章首先对数字CMOS 电路的功耗建模进行介绍， 然后介绍了在不同层次上的低功耗技术，最后是对低功耗ASIC 流程中的功耗预估进行着重讨论。第三章是针对动态电压缩放电路而展开的，介绍了动态电压缩放的概念、 指标、适用范围和一些设计上的考虑，以及现阶段动态电压缩放的应用和开发状况。第四章是动态电压缩放控制电路的实现，包括各部分电路的实现、仿真结果低功耗验证与分析。第五章是对全文的总结。4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第二章低功耗设计方法与分析第二章低功耗设计方法本章对数字 CMOS 电路进行了功耗建模， 系统地介绍了在各个层次上的低功耗技术，并对低功耗ASIC 流程中的功耗预估进行重点讨论。第一节 功耗模型CMOS 电路的功耗可以分为两部分：广义地被分成静态和动态两大类。一、静态功耗静态功耗是由于 MOS 晶体管的开关特性并不是理想的，存在漏电流、亚阈值电流、衬底注入电流等非理想的因素，在门不翻转时，即不活动或静态时所消耗的功耗。绝大部分静态功耗是由漏源亚阈值漏电产生，主要由于减小阈值电压而不能使晶体管完全截止。有源区和衬底间的漏电也能产生漏电流。因此，静态功耗也常称为漏功耗。二、动态功耗动态功耗是指消耗在电路动作时的功耗，动态功耗是由于 CMOS 电路的开关动作所引起的。当外加激励加在电路上，使节点上电压变化时，电路便处于活动状态。因为在输入端的电平变化可能不能导致在输出端的逻辑变化，所以在输出端即使不发生逻辑变化时也可以发生动态的功率消耗。动态功耗由两方面组成：开关转换功耗和内部功耗。1. 开关转换功耗开关转换功耗：对于驱动单元的开关转换功耗是指消耗在对单元的输出负载电容进行充放电的消耗，这些电容是由连线、器件的寄生电容、CMOS 的输入电容等构成，驱动单元的总负载电容是指驱动的输出端所有的节点和门电容的总和。因为充电和放电是单元输出端的逻辑转换的结果，所以当逻辑转换增加时，功耗也相应增加。因此，单元的开关转换功耗是总负载电容和逻辑转换率的函数。开关转换功耗构成了CMOS 电路功耗的大部分组成。 5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析fCVPdddyn2=其中为负载电容，是工作电压， f 为电路工作频率，CddV是开关活动率。在所有的功耗中，充放电功耗是最重要的部分，至少占了整个功耗的90%以上3。而相当多的低功耗设计技术正是围绕减少充放电功耗展开的。2. 内部功耗内部功耗：内部功耗是指在开关转换过程中消耗在单元内部的功耗。在开关过程中，通过对单元内部的电容充放电而消耗的功耗。内部功耗还包括对于p 管和 n 管在瞬间短路时所消耗的功耗，也称为短路功耗。fWPsc=其中时由工艺和电压决定的，W是晶体管的宽度， 是输入信号上升 /下降的时间，是开关频率。f对于转换时间较短的电路，短路功耗很小，但对于转换较慢的电路，短路功耗对于一个门的消耗的50%还要多4。短路功耗还受到晶体管的尺寸和负载电容的影响。第二节低功耗设计方法人们一直以来主要关注的问题是如何提高芯片的工作速度、节省硅片面积与成本以及提高系统工作的可靠性，而对电路功耗的考虑通常处于相对次要的位置。但是由于VLSI 本身的发展及市场需求使情况发生了一些根本的变化，在很多领域，降低功耗已成为数字系统设计的一个最为重要的问题。低功耗设计贯穿于从系统级、算法（行为）级、结构级、逻辑电路级直到器件/工艺级的整个数字系统设计流程。在低功耗设计中，首先要明确一个系统中的功耗分布，在此基础上针对功耗消耗大的模块单元、关键路径和非关键路径进行功耗优化。由系统级到逻辑电路层次其功耗优化由系统设计者决定，器件/工艺层次由半导体工艺决定。6 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第二章低功耗设计方法与分析从系统和算法级提出的低功耗设计方法的效率要比门级和寄存器传输级的高得多，门级和寄存器传输级得低功耗设计方法基本都是在电路的基本结构确定的前提下，添加少量的电路和微调电路的结构。算法级和系统级低功耗设计方法主要是从电路的体系结构和编码等方面入手，对具体电路实现没有特殊要求，这些低功耗措施对综合工具和布局布线工具完全是透明的，因此最后得到的电路质量较高。而结构级的低功耗设计方法是在确定电路实现方案时就要考虑电路的功耗问题，在电路的面积、速度、功耗和可测性方面做出权衡，因此设计出的电路在面积、速度和可测性方面会有所牺牲，但电路的功耗往往会有一个数量级的下降。一、系统层次功耗优化系统级功耗控制的基本方法是针对系统的不同工作模式和状态，设计出相应的低功耗工作模式。一方面系统应能按照性能设计要求完成系统功能；另一方面要求系统消耗尽可能低的功耗，即尽可能地工作于低功耗工作模式。由于系统所执行任务的多样性，对系统，特别是对处理器核的工作性能有不同的需要。以工作频率为性能标志，系统功耗设计应能根据不同的任务需要让处理器工作于功耗尽可能低的状态，即较低的工作频率，将任务调度和电压缩放结合起来降低功耗1软硬件划分软硬件划分是从系统功能的抽象描述（如C 语言）着手，把系统功能分解为硬件和软件来实现，对于一个系统的功能，可通过在处理器上运行软件来实现和通过专用电路实现，比较两者的功耗得出一个低功耗的实现方案，软硬件划分的技术处于设计的起始阶段，给降低功耗带来更大的可能。在根据系统功能说明进行软硬件协同设计、确定指令体系结构时，不同的设计出发点所导致的设计功耗结果差别会很大。因此系统硬件的各个子模块划分以及软件上设置不同的工作状态对功耗的优化非常重要。2存储器优化 7 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析存储器是集成系统的重要组成部分，存储器的功耗包括对存储器本身功耗和处理器与存储器之间通信的功耗。进行低功耗设计时应合理设置存储器层次，对片上存储器和片外存储器进行合理规划，同时要考虑到存储元件的类型(SRAMs， DRAMs ，cache)，及对它们的大小、组织结构进行合适的优化。3动态功耗管理动态功耗管理主要有两种技术，一种是电压缩放，即根据任务所需要达到的性能来选择处理器的电压或频率；另一种是进入低功耗的休眠状态，如果没有任务执行则关闭处理器来降低功耗。该技术的核心就是如何根据系统的状态信息决定系统何时对电压进行缩放，或何时进入休眠状态5 6。二、算法 /行为层次功耗优化对所需算法的复杂性、并发性进行分析，尽可能利用算法的规整性和可重用性达到降低功耗的目的。由于实现一个具体问题的方法往往具有多样性，而且它与具体实现的依赖性很小，所以算法的选择相对来说自由得多，而且它对最终硬件实现的功耗的影响也会很显著。1算法的复杂性每条指令的执行都需要一定的能量，对于确定的处理器，其每条指令的功耗是一定的，所以最简单的衡量一个算法是否在功耗方面为最优的方法，就是根据运行此种算法所需的指令数来判断。考虑到各条指令所需的功耗并不相同，更为精确的方法应当是以各条指令所消耗的能量为权值的加权和。2算法的规整性一个规整的算法本身就很适合ASIC 来实现，对于降低功耗来说也同样是有利的：在 ASIC 中，规整的算法使得用来描述状态的有限状态机变得简单，使其耗能减少；算法的规整性会使所需要的判断分支语句减少，判断分支语句会引起流水线中空泡增多，导致无效的能量消耗。8 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第二章低功耗设计方法与分析3算法的数据精度实现相同的功能要求，不同的算法所需的数据精度是不同的。如果数据精度高，数据的宽度就会很大，必然使运算部件的规模增加，功耗也会增加。4控制-数据流图低功耗变换在高层次综合技术中，算法通常表达成控制-数据流图的形式，进行优化后映射到特定的硬件上。这类技术在过去只考虑系统性能和系统费用的优化，在此基础上，将一个高层的功耗模型提供功耗的因子加入到优化算法中，从而获得低功耗的实现方案。三、结构层次功耗优化从前面的讨论可知，降低电路的工作电压可以有效地降低电路的功耗，但同时会增加电路的延时，因此设计者在降低电路工作电压的同时，必须采取措施提高电路的工作速度。 采用适当的结构， 可以在维持电路速度不变的情况下，降低电源电压。1、采用并行结构并行是将一条数据通路的工作分解到两条通路上完成，这样每条数据通路的工作频率都为原来的一半，数据通路允许的延时增加了一倍，此时电路可以采用较低的工作电压。虽然增加的电路和由它引起的连线资源会导致电容的增加，并且输出端口增加的多路选通器也会导致部分功耗，但通常情况下这两部分增加的功耗不会导致电路实际功耗的增加。2、采用流水线结构采用流水线结构是降低功耗的又一途径。电路流水就是采用插入寄存器的办法降低组合路径的长度，提高电路速度，在此基础上降低电路的工作电压，可以极大地降低电路地功耗。 9 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析将电路流水化和并行化达到节省功耗的前提是可以选择电路的工作电压，如果电路工作电压固定，上面两种方法只能提高电路的工作速度，并相应地增加了电路的功耗。3、总线的低功耗设计数字系统中总线的基本特点就是负载较大、走线较长、数据传输密度高，通常都具有较大的电容，形成大量的功耗。1）降低电压幅度减小总线上信号的电压变化幅度（通常小于 1V）对降低具有特大电容总线的功耗非常有效。 它的额外代价是总线和功能模块之间的信号电平的变换电路。该方法对于芯片工作电压较高（3.3V 和 5.0V）的总线效果显著，随着工艺的进步，工作电压也随之降低，该技术在未来的应用范围将很有限。2）总线分割对总线进行分段控制，根据总线和功能模块连接的物理结构，在信号传输时，隔断总线的无关部分， 从而减小总线的实际电容， 以达到降低功耗的作用。该技术作用于版图布线的设计阶段，受到系统总线结构和版图布局等因素的制约。 从系统级设计的角度， 对 SOC系统的总线结构进行分割设计日益成为趋势。3）总线编码降低总线上的翻转率同样是节省总线功耗的一种方法，而在完成同样功能的前提下要降低总线上的有效翻转频率只有改变总线上传输数据的编码。常见的总线编码形式有二进制原码、one-hot编码、格雷码、总线反转码（ Bus-invert Coding）和二进制补码。该技术的额外代价是附加的编码和译码电路，但随着工艺的发展，布线的电容和功耗将大大超过门单元，因此该技术在未来将具有很好的应用前景。4、门控时钟在时序电路中，全部触发器在时钟信号的作用下同步地转换状态。在开关过程中，如某一触发器地次态与现态相同，该触发器就处于维持状态，这时时钟对触发器的触发就会造成无效功耗。另外，一个系统中的不同模块在某些时10 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第二章低功耗设计方法与分析段内会处于空闲状态，他们此时的开关动作和时钟触发对系统都是无意义的。门控时钟的设计思想就是在上述的维持和空闲状态时，关闭其时钟信号，从而有效减小时钟驱动的功耗。门控时钟可以作用于局部电路或一个模块，也可以是整个电路，当然作用的范围越大，减少的功耗也越就显著。在电路中加入门控时钟非常容易，设计者可以自己在语言中描述，也可以通过综合工具自动来加入。5操作数隔离操作数隔离就是通过降低组合模块输入的翻转次数，来降低组合模块的有效翻转率达到降低组合模块功耗的目的。组合电路的内部工作状态完全是由其输入信号决定，即使输入信号的翻转会引起组合电路输出信号的改变时，组合电路内部会有很多器件参与工作，将会导致电路消耗功耗，因此降低组合电路模块输入信号的无效翻转可以降低者部分电路的功耗。一些算术模块，如算术逻辑单元(ALU) ，加法器和乘法器是经常执行多余计算的单元。这些单元的输入端是比较理想的进行操作数隔离的对象。6异步电路结构异步逻辑是完全不同于同步设计的一种设计方法，与同步电路相比较，异步电路设计在低功耗设计中有着很大的潜力。异步电路本质上是数据驱动的，靠握手信号连接，只在需要时才工作，减少了模块的无效翻转，降低了电路的翻转活动率。异步逻辑不采用全局时钟，不存在时钟偏斜问题，节省了时钟翻转消耗的功耗。它的速度是根据输入情况变化的，是各种输入的“平均情况”；而同步电路中全局时钟的周期必须大于最坏情况，故同步电路的速度是“最坏情况”。异步电路的速度“平均情况”要比同步电路的“最坏情况”快，故异步电路可在低电压下达到所要求的速度，降低了电路所需要的电压，大幅度降低了电路的功耗，异步电路虽然在功耗方面有它特殊的优势，但因为实现方面的困难，要出现商用化的异步处理器可能还需要相当长一段时间。另外一个原 11 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析因是大多数异步电路的指令集都是自定义的，用户使用起来不方便， 不能普及，因此大多数的异步微处理器还不能代替市场上现有的微处理器。7动态电压缩放（ Dynamic Voltage Scaling）这是系统级动态功耗管理策略在结构级的实现。因为实际情况下并不要求处理器总是工作在高性能状态，当工作量不大时，处理器工作在一个降低了的频率下就可以达到性能上的要求，此时就可以降低电路的工作电压，导致电路功耗的下降。要实现动态电压缩放，需要电路可以快速地根据要求来切换电路的工作电压。本论文所实现的低功耗设计就是应用的这种结构，将在三、四两章中详细地展开。UC Berkeley 设计的一种基于ARM8 的体系结构的处理器就具有DVS 功能，它采用 0.6umCMOS 工艺实现。该处理器具有两种工作方式，当它工作在1.1V/8MHz 时，功耗为 1.8mW；工作在 3.3V/100MHz 时，功耗为 220mW。四、逻辑电路层次功耗优化1公因子提取在逻辑综合中，公因子提取和共享是简化逻辑网络、减少实现电路成本的常用方法。 对提取的不同公因子计算其功耗因子，选择功耗最小的来实现电路。2工艺映射工艺映射实现把逻辑表达式或布尔网络映射到目标库中的门单元的过程。在映射过程中，尽量将活动因子大的节点隐藏于门单元的内部，从而减少其电容负载，降低功耗。3门尺寸优化门尺寸优化的基本思想是对非关键路径的门缩小尺寸以减小面积和功耗。由于使用驱动能力小的单元，电平转换将变慢，引起短路电流增加，这是门尺寸优化的制约因素。12 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第二章低功耗设计方法与分析对关键路径的门尺寸优化则根据路径上不同结点的跳变频率，对相关的门单元分别增大和缩小，在保证时序约束的条件下，减少功耗。在通过改变单元尺寸大小来节省功耗时，应该同时考虑负载驱动和电路延时的因素，在满足时序的前提下，调整电路的尺寸，尽量减小每个门输入信号的偏斜和输出负载。4管脚置换一般情况下， 对于库单元功能相同的引脚， 在综合时是等价的。 但实际上，不同引脚的电容、信号延迟等参数是不同的。管脚置换的基本思想就是根据输入信号实际翻转率的不同， 将翻转率较高的输入信号连接到电容较小的管脚上，达到降低功耗的目的。 这种方法需要知道信号实际翻转率和准确的单元库模型。五、器件 /工艺层次功耗优化电路按比例缩小，不仅提高了系统的集成度，也带来了功耗上的好处。系统集成使得芯片间的通讯量降低，可使功耗减小。工艺的进步使多层金属布线成为可能，增加可布置的金属层数，使用上层金属进行全局互连，可以减小互连电容，从而减小延迟和功耗。采用多阈值、阈值可变器件，以满足不同工作状态的需要。新型的低功耗器件和计算方案也在研究中，发展了各种“可逆”计算的结果。如，在电路速度要求不高的应用中，可用绝热计算(Adiabatic Computing)这样的新型低功耗器件结构，以时间换取功耗的减少。还可以通过加工技术的提高减小芯片和封装的电容，也能改善功耗性能。如采用 SOI 技术。 SOI 技术能减少寄生电容和体效应，从而减小功耗。第三节各个层次上的功耗预估由于 SOC的趋势，在面积和速度上的增长导致功耗问题已经越来越受人们的关注。已经不仅仅是为了延长电池的供电时间，散热和可靠性方面的问题比如电迁移和电压降都变得非常重要。 13 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析在主流深亚微米的设计中，功耗可能会限制功能的实现和性能的高效，大大的影响可制造性和产品成品率。大功耗会增加结温，温度的升高会增大晶体管的延迟，也会增加互连线上的电阻。如果不考虑功耗，一些仅仅针对提高性能的设计手段是往往是达不到预想效果的。产品性能的不达标会降低产品的收益。另外，如果功耗过高，则需要在系统级对温度进行监测和管理。总之，这些功耗的问题极大地提高了SOC系统的成本。在SOC的设计流程中，需要对功耗进行适当的考虑，以减小成本。低功耗 ASIC 流程和传统 ASIC 流程的不同之处在于： 传统的设计流程对功耗的处理是到最后才作考虑的，直到设计流程到门级或晶体管结构级才做整体的分析。如果在这时为得到更高的能量效率，希望做进一步的修改，就已经太迟了。因此若想将设计的焦点集中在实现最大限度低功耗的话，就要在设计的最开始，即最高层次描述时，像对性能进行分析那样，对功耗也要进行分析；每个设计层次的功耗分析，要保证该层次的功耗设计能满足设计的要求；来自高层的功耗信息也将配合和约束下一层次的设计。低功耗设计流程的初衷就是尽可能早地、尽可能准确地预估出功耗，并采取一系列措施以便得到尽可能多的能量节省。一、功耗计算整个芯片的功耗是动态功耗和静态功耗的总和。动态功耗是指消耗在开关逻辑时，在单元内部（内部功耗）和驱动连线负载（开关功耗）所消耗的功耗。fCVerDynamicpow2=其中为负载电容，V是工作电压，逻辑转换数。Cf随着半导体结构的不断缩小，器件和线间电容也不断减小，这一点意味着更快的速度和更小的功耗。但考虑到设计规模和开关转换率的激增，芯片功耗的表征却是越来越大。静态功耗（漏功耗）是指在晶体管没有开关活动时的功耗。STATVIpowerStatic=?14 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 49 页 - - - - - - - - - 第二章低功耗设计方法与分析虽然晶体管会有漏衬间的反向漏流，但漏功耗的绝大部分是由晶体管关断时亚阈值电流产生的。当经常处于闲置状态时，对漏功耗进行精确建模便相当重要了。随着阈值电压的降低， 亚阈值电流变得越来越显著起来。如图 2.1，Intel公司的资料表明，当工艺水平在 0.13um，以及以上时，漏功耗要占到芯片总功耗的50%7。漏功耗的增加会指数倍地增加芯片的失效概率。降低功耗的主要手段是降低电源的供电电压。 因为动态功耗和供电电压的平方关系，电压的降低可以很好地改善芯片的动态功耗。但是，又因为电路的开关延迟与负载电容和ddVddthVV成正比，所以降低电源电压也会降低电路的速度。因此，为了维持电路快速驱动并翻转的能力，需要和同时降低。这样就会使漏电流增加，增大了漏功耗。所以，需要一个低功耗的流程来对性能要求和功耗进行折衷。thVddV图 2.1 不同工艺下漏功耗比重示意图二、功耗预估和分析 15 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 49 页 - - - - - - - - - 超大规模集成电路低功耗设计与分析前面也提到了，在整个设计过程中，对功耗问题考虑地越早，对功耗最终效果的影响也就越大。例如，在系统和算法级，应用并行结构取代串行可以降低时钟频率，可以显著地降低功耗，不过，用并行手段是以大面积为代价的。当时钟频率降低后供电电压也可以适当降低，因为功耗与电压是平方律关系，与频率和翻转是线形关系，所以并行结构可以节省大量的功耗。图 2.1 列出了可以应用于 SOC 流程中的一些功耗优化和功耗分析的技术。图 2.2 SOC设计流程中功耗优化和分析技术在流程的所有设计阶段， 如表 2.1