1、SoCSoC 系統的低功耗設計摘要功耗問題正日益變成系統實現的一個限制因素。對便攜式應用來說，其主要原因在于電池壽命，對固定應用則在于最 高工作溫度。由于電子系統設計的復雜度在日益提高，導致系統的功耗得到其主要 功耗成分。其次，以該主要功耗成分數學表達式為依據，突出實現低功耗設計的 各種級別層次的不同方法。關鍵詞集成電路低功耗設計引言從 2020 世紀 8080 年代初到 9090 年代初的 1010 年里，微電子領域的很多研究 工作都集中到了數字系統速度的提高上，現如今的技術擁有的計算能力能 夠使強大的個人工作站、復雜實時語音和圖像識別的多媒體計算機的實現 成為可能。高速的計算能力對于百姓大

2、眾來說是觸指可及的，不像早些年代那樣 只為少數人服務。另外，用戶希望在任何地方都能訪問到這種計算能力，而不是被一個 有線的物理網絡所束縛。便攜能力對產品的尺寸、重量和功耗加上嚴格的要求。由于傳統的鎳鉻電池每磅僅能提供 2020 的能量，因而功耗就變得尤為 重要。電池技術正在改進， 每 5 5 年最大能將電池的性能提高 3030，然而其不可 能在短期內顯著地解決現在正遇到的功耗問題。雖然傳統可便攜數字應用的支柱技術已經成功地用于低功耗、低性能 的產品上，諸如電子手表、袖珍計算器等等，但是有很多低功耗、高性能 可便攜的應用一直在增長。例如，筆記本計算機就代表了計算機工業里增長最快的部分。它們要求與

3、桌上計算機一樣具有同樣的計算能力。同樣的要求在個人通信領域也正在迅速地發展，如采用了復雜語音編 解碼算法和無線電調制解調器的帶袖珍通信終端的新一代數字蜂窩網。已提出的未來個人通信服務應用對這些要求尤其明顯，通用可便攜多 媒體服務是要支持完整的數字語音和圖像辨別處理的。在這些應用中，不僅語音，而且數據也要能在無線鏈路上傳輸。這就為實現任何人在任何地方的任何時間開展任何想要的業務提供 了可能。但是，花在對語音、圖像的壓縮和解壓上的功耗就必須附加在這些可 便攜的終端上。確實，可便攜能力已經不再明顯地和低性能聯系在一起了；相反，高 性能且可便攜的應用正在逐步得到實現。當功率可以在非便攜環境中獲得時，低

4、功耗設計的總理也變得十分關直到現在，由于大的封裝、散熱片和風扇能夠輕而易舉地散掉芯片和 系統所產生的熱，其功耗還未引起多大的重視。然而，隨著芯片和系統尺寸持續地增加，要提供充分的散熱能力就必 須付出重要代價，或使所提供的總體功能達到極限時，設計高性能、低功 耗數字系統方法的需求就會變得更為顯著。幸好，現在已經發展了許多技術來克服這些矛盾。 由于可以高度集成，并具有低功耗、輸入電流小、連接方便和具有比 例性等性質，邏輯電路被認為是現今最通用的大規模集成電路技術。下面研究集成電路的功耗組成，概述實現集成電路 系統的低功耗 設計的諸多方法。目的在于揭示當今電子系統結構復雜度、速度和其功耗的內在聯系，

5、 在及在數字電子系統設計方向上潛在的啟示。1 1 集成電路功耗的物理源 要研究的低功耗設計，首先要物理層次上弄清該集成電路的功耗組成， 其次，才能從物理實現到系統實現上采用各種方法來節省功耗，達到低功 耗設計的目的。圖 1 1 為典型數字電路的功耗物理組成。1 1 動態功耗動態功耗是由電路中的電容引起的。設為電路的電容，電容值為管從 0 0 狀態到狀態所需的電壓與電量的比 值。以一個反相器為例，當該電壓為時，從 0 0 到狀態變化輸入端所需要的能量是 2 2。其中一半的能量存儲在電容之中，另一半的能量擴展在之中。 對于輸出端來說，它從到 0 0 過程中，不需要的充電，但是在下拉的過 程中，會把

6、電容存儲的另一半能量消耗掉。如果在每次時鐘變化時都變化一次，則所耗的功率就是2 2，但并不是在每個時鐘跳變過程之中，所有的電容都會進行一次轉換除了時鐘緩沖器， 所以最后要再加上一個概率因子。電路活動因子代表的是，在平均時間內，一個節點之中，每個時鐘周 期之內，這個節點所變化的幾率。最終得到的功耗表達式為 =2=2。2 2 內部短路功耗電路中，如果條件的和就會同時打開，產生短路電流。在門的輸入端上升或者下降的時間比其輸出端的上升或者下降時間 快的時候，短路電流現象會更為明顯。為了減少平均的短路電路，應盡量保持輸入和輸出在同一個沿上。一般來說，內部短路電流功耗不會超過動態功耗的1010。而且，如果

7、在一個節點上，3 3 靜態漏電功耗靜態漏電掉的是二極管在反向加電時，晶體管內出現的漏電現象。在管中，主要指的是從襯底的注入效應和亞門限效應。這些與工藝有關，而且漏電所造成的功耗很小，不是考慮的重點表 1 1 為集成電路中主要的耗電類型。表 1 1 集成電路中主要的耗電類型類型公式比率動態功耗=270=2709090 內部短路功耗-=10-=103030 靜態漏電功 耗= =4 4 小結 通過設計工藝技術的改善，和能被減小到可以忽略的程度，因而也就 成為功耗的主要因素。后面所做的功耗優化大部分是圍繞這一個公式來進行的。 對于來說，所有的方法都是圍繞著動態功耗來做文章的，因為在電路 信號變化時，功

8、耗消耗主要在電路中電容的充放電過程。如果從各個層次、各個方面盡量減少電路的充放電，將是我們關心的 主題。2 2 降低集成電路功耗的方法 功耗對于一個便攜式數字系統來說尤為重要。 事實上，很多便攜式系統的設計，是先進行功耗分析，由功耗分析的 結果再來劃分設計結構。可以說，功耗將可能決定一切。現在要做的是，根據功耗分析的結果，評判結構，改進設計，優化方 案。系統的功耗所涉及的內容十分廣泛，從物理實現到系統實現都可以采 用各種方法來節省和優化功耗。通過對國外大量文獻的查閱，我們得到了常用的實現低功耗設計的各種較為有效的方法，如表 2 2 所列表 2 2 常用實現低功耗的各種方法 類型采用方法效果行為

9、級系統級幾倍軟件代碼軟件優化 323323 功率管理 控制 10109090 級結構變換 10101515 綜合技術合成與分解邏輯 1 15 5綜合技術映 射門級優化 20202020 布局布局優化 20201 1 系統級功耗管理這一部分實際上是動態功耗管理。 主要做法是在沒有操作的時候也就是在處于空閑狀態的時候，使運作 于睡眠狀態只有部分設備處于工作之中；在預設時間來臨的時候，會產生 一個中斷。由這個中斷喚醒其它設備。 實際上，這一部分需要硬件的支持，如判斷，周期性的開、關門控時 鐘等。2 2 軟件代碼優化 軟件代碼優化是針對嵌入式處理器而言的。 對于編譯器來說，所起的使用不到 1 1 ，而

10、對于代碼的優化則可以產生高達 9090 的功耗節省。等人曾分別做過用各種針對處理器的編譯器進行的試驗。 比此的實驗結果發展，風格比較好的代碼產生的效果遠比用編譯器優化的效果好。3 3 控制這是在設計中行之有效的方法之一。如果芯片在正常工作，有很大一部分模塊它們可能是用于一些特殊用 途中，如調試、程序下載等是乖于空閑狀態的，這些器件的空運作會產生 相當大的功耗。這一部分應使用時鐘控制，即 & &。4 4 級代碼優化與軟件相似，不同的，寄存器傳輸級代碼，也會產生不同的功耗，而 且代碼的影響比軟件代碼產生的影響可能還要大。因為，代碼最終會實現為電路。電路的風格和結構會對功耗產生相當重

11、要的影響。級代碼優化主要包括1對于來說，有效的標準功耗管理有睡眠模式和部分 未工作模塊掉電。2硬件結構的優化包括能降低工作電壓的并行處理、 流水線處理以及 二者的混合處理。3降低寄存電容的片內存儲器模塊劃分。4降低活動因子的信號門控、 減少毛刺的傳播長度、 活動最小化、 有 限狀態機狀態譯碼的優化等。5由硬件實現的算法級的功耗優化有流水線和并行處理、時序重定、 程序或算法的展開、程序或算法的折疊等等基本方法以及其組合。5 5 后端綜合與布線優化既然的功耗與寄生電容的充放電有很大的關系，作為后端綜合與布線， 同樣也可采取一些措施來減少寄存器電容。可以優化電路，減少操作電路的操作，選擇節能的單元庫

12、，修改信號 的相關關系，再次綜合減少毛刺的產生概率。實際上，這一部分與使用的工具有關。與軟件部分有相同之處，后端綜合與布線同軟件的編譯差不多。 軟件編譯的結果是產生可執行的機器代碼；而的綜合與布線是把代碼 編譯成真實的電路。但是，后端綜合與布線優化比較編譯優化有更好的效果。 這是因為一段代碼所對應的電路是可以有多種形式的；同時現有些編 譯器會根據設計者提供的波形，智能地修改電路前提是最終電路的效果還 是一樣的，編譯器就會進行相關的優化。但是后端綜合的優化與級代碼優化和時鐘控制相比，同樣的級與時鐘 優化所產生的影響要遠大于用編譯工具所產生的影響。6 6 功耗的精確計算 后端綜合與布線工具不但可以

13、根據基本單元提供的功耗參數進行優 化，還可以根據這些參數估算出整個的功耗。正因為有這樣一些工具，使我們可以精確地知道我們所設計的是否達 到設計要求。萬一設計功耗不符合總體要求，則可能要求從系統級到物理綜合布線 都要做出檢查與分析，做出可能的改進，盡可能地減少功耗以達到設計要 求。7 7 小結從上面的各種降低以及估算功耗的方法可以看出，系統的拉耗優化涉 及到從物理實現到系統實現的方方面面，是芯片設計中一個十足的系統工 程。可以說，功耗可以決定一切。結語本文首先分析了集成電路的功耗物理組成，得到了其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分數學表達式為指導，突出了低功耗設計的各 種級別層次的不同方法。不管是現在還是將來，該領域的重要性將會日益顯著。 在下面的一些發展方向還將會有較大的發展1實現系統設計的變換以及映射技術的進一步探索。2將各種