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集成电路低功耗技术分析

 论文栏目:技术分析论文     更新时间:2018/3/8 9:47:41   

摘要:低功耗需求带来的挑战在大规模集成电路的设计工作中越来越严峻,低功耗技术体现在电路设计的各个层级,从软件级的调度分配到底层硬件逻辑门的状态变化。本文详细分析了电路设计过程中功耗的分类和来源,并找出不同功耗的关键影响因素。从电子设计高层次综合角度分析了各个层次中低功耗设计理念,最后给出了针对不同功耗类型的具体优化方案。

关键词:低功耗技术;集成电路;高层次综合

1引言

数字系统的性能和复杂度在近20年中得到飞速发展,如今已发展到大规模、超大规模的水平。随着集成电路制造技术的进步,工作频率提高,设计尺寸减小,芯片的功耗一直在急剧增加。对于高性能计算单元来说,功耗的瓶颈甚至限制了频率继续提升,另外有些复杂的应用平台还需要设计专门的散热系统。对于移动嵌入式计算平台,功耗更是直接与续航能力相联系,提高续航能力与减小电池体积之间的矛盾又限制了更高层面的应用。因此,功耗是集成电路设计中需要考虑的重要指标之一。电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation,EDA)是研究集成电路设计最基本的工具。传统EDA工具从低层次到高层次进行设计,由于允许的方案有限,已经无法有效的管理日益增大的设计规模以及在设计过程中产生的数据库,另外过多的人工干预,造成电路规模增大时设计的正确率迅速下降。近年来,高层次设计技术成为了国内外电子系统设计自动化研究和应用开发的主流,本文将从高层次设计的角度,对大规模电路设计中低功耗技术进行分析。

2高层次综合调度算法

集成电路的总功耗分为三个部分:动态功耗、静态功耗和电路互联功耗,其中动态功耗和静态功耗是电路功耗的主要部分,也是本文主要的讨论对象,电路互联功耗伴随着深亚微米工艺的发展而产生。动态功耗和电路门的逻辑状态变化有关,是指在电路中元器件工作时消耗的能量,一般分为两种,即短路电流功耗和开关电流功耗。短路电流功耗主要来源是CMOS管的P结和n结瞬间同时导通时,电源到地之间形成的直流通路产生的电流;开关电流功耗也叫负载电容充放电功耗,顾名思义,是在逻辑电平改变时,寄生电容的充放电所产生的翻转电流所产生的功耗。开关电流功耗是电路动态功耗的主要组成部分,约占电路总功耗的80%,因此也是低功耗设计时主要考虑对象。影响电路开关电流的因素主要有:开关频率,即相邻的输入之间信号的翻转频率;输出端的负载电容;电路的工作频率;电路的供电电压。静态功耗是指在电路接通电源以后开始产生而不随电路中元器件工作与否而改变的功耗部分,其大小主要取决于制造工艺,主要由泄漏电流消耗,可以细分为漏电流和等待电流。其中,漏电流由三个部分组成:源、漏端与衬底之间的反偏结漏电流,栅极漏电流和门槛电压以下源、漏极之间存在的微小亚阈值电流;等待电流是指电路在保持一个电平状态时,电压逐渐下降过程中产生的电荷泄露。影响电路静态功耗的因素主要有:晶体管的数量、阈值电压、晶体管的载流子迁移率和单位面积栅电容等。

3高层次设计中的低功耗技术分析

3.1低功耗设计层级

在高层次设计中,功耗的优化设计方法可以自上而下的分为系统级、行为功能级(或称算法级)、寄存器传输级(或称RTL级)、逻辑级和电路级等。由上一节分析得知,电路的静态功耗多与硬件相关,而动态功耗主要与软件(指令)的执行也即逻辑门的翻转频率有关。系统级低功耗设计正是从系统的高度上确定系统实现中软件和硬件所占的比例。分别从硬件和软件的角度考虑,系统级低功耗设计有两种途径:一是先确定硬件,然后在硬件基础上选取功耗最小的指令集或软件实现流程;另一种则是在流程相对固定的情况下,在给定的指令集上构造功耗最低的硬件体系。算法级低功耗设计是在确定的硬件系统中设计算法,在执行过程中尽量少的改变电路门的逻辑状态翻转,减少动态功耗,即应用一些低功耗的变换技术,在资源分配和调度时减少所用硬件资源数目,并且使资源在各个控制步中分配均匀。RTL级低功耗设计在完成算法级控制流的前提下,对电路的基本单元如乘法器、加法器、存储器和寄存器堆等进行结构化设计,主要有并行结构、流水线结构等。并行结构降低功耗的主要原因是以更低的工作频率获得与参考结构相同的计算速度;而在流水结构中,通过减少每一级的电路来减小电源电压,从而降低系统功耗。逻辑级低功耗设计以逻辑门为基本器件来估算电路的功耗,常用的设计方法有:逻辑优化设计,主要目的是减少信号的翻转频率,通过尽可能的分解逻辑电路的逻辑功能,使翻转活动达到最小;预计算设计技术,通过加入预计算逻辑,在给定的输入下,使所有或部分输入寄存器的负载无效,从而降低了功耗;多阈值设计技术,降低内部工作电压的逻辑摆幅,控制了泄漏电流的增加。

3.2动态功耗优化方法

动态功耗的优化从改变动态功耗的影响因素入手。由功耗分析得知,时钟频率和动态功耗成正比,因此降低时钟频率是有效的降低动态功耗的方法,根据任务需要动态的调整时钟频率是应用最广泛的手段之一。动态的时钟频率调整本身并不会降低计算所消耗的能量,只会减少单位时间内功耗的能量,这种技术往往是结合电压调节技术,在降低频率的同时也降低芯片的供电电压,来降低总功耗。相比较于降低时钟频率来适应不同的任务需求,时钟屏蔽技术则在任务执行的某些阶段屏蔽时钟信号,通过控制时钟通路而不是数据通路来决定是否将数据写入寄存器,来降低系统的动态功耗。对于高频时钟,不仅模块的功耗很大,而且时钟的连线部分功耗也非常大。所以时钟屏蔽技术不仅在电路模块上得到应用,在布线网络上的应输出电压由输入电压决定;明确远距离输电过程中的功率、电压的损失与哪些因素有关,明确整个过程中的功率、电压关系,理想变压器电压和匝数关系。避雷针的原理:生活中,我们修房造屋必须要经过防雷审批。就是要安装避雷针。为了避免在雷雨天气时雷击现象的产生,人们设计出一种针状的金属物,将之装在房屋的顶端,并和地下的金属板相联接。把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向,避雷针的尖端不断地向空中释放电子,电子运动的方向与电流的方向相反,所以电流的方向应该是从尖端流向地面。而当带电的云层与针状金属物相接近时,地下的异种电荷集中到针状金属物的顶端与云层中的电荷相中和,以此达到避雷的目的。

4高中阶段的典型习题分析

电力系统是高中物理学习的一个非常重要的部分,在习题中也多有涉及,本节将以一道典型例题对高中部分电路知识进行简单的梳理。小型水利发电站的发电机输出功率为24.5kW,输出电压为350V,输电线总电阻为4Ω,为了使输电线损耗功率为发电机输出功率的5%,需在发电机处设升压变压器,用户所需电压为220V,所以在用户处需安装降压变压器。对于远距离输电问题,一定要明确整个过程中的功率、电压关系,尤其注意导线上损失的电压和功率与哪些因素有关。为解决各家各户的用电问题,远距离输电是电力发展的一大里程碑,是其不可忽视的重要优点之一。不可否认的是,远距离输电是一个复杂的过程,输电的安全性、经济性、可靠性、输电效率等等都需要考虑。

5结束语

闭合电路以及电学知识在高中物理是重要的一部分,在各大考题中都有可能涉及,我们在这方面要进行重点学习。此外,我们身边处处有电器,家家用电能,学会如何正确使用电器、避免漏电等隐患,也是我们步入社会的必备技能。

作者:包志家 单位:南京理工大学紫金学院

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