2.1數(shù)字電路的低功耗設(shè)計(jì)

2.1.1數(shù)字電路的功耗模型和影響因素

以圖2.1.1所示的最基本的反相器單元為例，CMOS數(shù)字電路的功耗可以分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩個(gè)部分：

其中，靜態(tài)功耗

式中，第一項(xiàng)是p1和N1同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的直流短路電流ISC引起的靜態(tài)功耗;第二項(xiàng)是由漏泄電流引起，包括亞閾值電流和源漏區(qū)與襯底反向偏置時(shí)的漏泄電流。

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動(dòng)態(tài)功耗是對電路節(jié)點(diǎn)等效負(fù)載電容進(jìn)行充放電所消耗的，也稱為開關(guān)功耗，可表示為

式中，α0→1是開關(guān)活動(dòng)因子，表示每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的狀態(tài)跳變次數(shù)，其大小與電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能、輸入信號的狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)的初始狀態(tài)有關(guān)，一般地，CMOS電路中有α0→1≤1;CL是等效負(fù)載電容;?是時(shí)鐘頻率;VDD是電源電壓。

在0.18μm及其以上的CMOS電路功耗中，占主導(dǎo)地位的是動(dòng)態(tài)功耗，有時(shí)還要考慮短路功耗，而在一般情況下，漏泄電流和穩(wěn)態(tài)偏置電流功耗都可以忽略。因此，要降低電路功耗，必然要從降低動(dòng)態(tài)功耗入手，可以說，式(2.1.3)是低功耗數(shù)字電路的指導(dǎo)公式。

式(2.1.3)可以看出，降低電路的動(dòng)態(tài)功耗，可以有以下四種途徑：

第一，降低開關(guān)活動(dòng)因子α0→1。在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，并不是所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)都發(fā)生跳變，也不是所有狀態(tài)的跳變都要消耗能量(如1→0的狀態(tài)轉(zhuǎn)變)，所以降低開關(guān)活動(dòng)因子的本質(zhì)是，根據(jù)輸入信號的組合狀況，通過優(yōu)化算法、邏輯結(jié)構(gòu)等方法，減小不必要的耗能跳變。常采用的方法有，門控時(shí)鐘技術(shù)、功耗估算/優(yōu)化CAD技術(shù)和降低跳變編碼技術(shù)。由于快速、準(zhǔn)確地估算α0→1有很大的難度，所以急待開發(fā)實(shí)用的功耗估算CAD技術(shù);其次，降低α0→1來降低動(dòng)態(tài)功耗十分有效，并且有很大的潛力，所以這也是低功耗研究的重要方面之一。

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第二，降低等效負(fù)載電容CL。CL重要由兩方面構(gòu)成：一方面是后續(xù)門的輸入門電容和反相器源漏區(qū)的電容，它們和器件工藝有關(guān);另一方面互連線電容。

因此要降低CL，可以采用優(yōu)化邏輯電路(如減小所用晶體管數(shù)目)、優(yōu)化晶體管尺寸、工藝映射中降低高活動(dòng)因子的電容、版圖中合理布局等方法。可以說，在設(shè)計(jì)的各個(gè)層次，都要考慮到CL對功耗的影響。

第三，降低工作頻率f.假如僅僅通過降低電路的頻率來降低功耗，則它必然是以犧牲速度為代價(jià)的。所以時(shí)鐘(頻率)管理的策略是，在保證電路主頻不變的情況下，通過多頻率技術(shù)，即在不同系統(tǒng)部分中分配不同的頻率，或者在設(shè)計(jì)版圖時(shí)優(yōu)化時(shí)鐘樹(ClockTree)，以盡可能地降低動(dòng)態(tài)功耗。

第四，降低工作的電源電壓VDD。由于功耗和電源電壓的平方項(xiàng)成正比，所以這也是降低功耗最有效的方法。但在工藝尺寸確定、一級近似條件下，電路延遲與VDD滿足下式

即有Td∝(CdVDD)/(VDD-VTH)2,其中W和L分別是器件的柵寬和柵長，μ為載流子遷移率，COX為氧化層電容，VTH為MOS管閾值電壓。

正如圖2.1.2所示，從電路能量、延遲和工作電壓的關(guān)系中可以看出，當(dāng)VDD在2.5VTH到6VTH的范圍內(nèi)，延遲和能量延遲積的變化比較平緩，在VDD=3VTH時(shí)，這兩者達(dá)到最低值。當(dāng)工作電壓繼續(xù)下降到接近VTH時(shí)，延遲將急劇上升。

為了改善VDD下降引起的電路速度下降，可以采用并行或流水線結(jié)構(gòu)，但這將使電路面積增大;另外一種補(bǔ)償方法是，通過降低VTH來增大VDD/VTH值，但同時(shí)電路漏泄電流將新增，這時(shí)可以采用可變電壓、可變閾值電壓技術(shù)解決;在一些非關(guān)鍵電路中，也可以采用多電壓、多閾值電壓技術(shù)加以補(bǔ)償。

2.1.2數(shù)字電路的低功耗設(shè)計(jì)方法

在目前ASIC設(shè)計(jì)過程中，常采用的是自頂向下(Top-Down)流程。對功耗的優(yōu)化也就可以考慮到，在不同的設(shè)計(jì)層次，有目的地選擇上述影響功耗的因素，在給定的性能約束下，實(shí)現(xiàn)功耗最小化的目標(biāo)。

從抽象層次來分，低功耗設(shè)計(jì)可以分為：系統(tǒng)級、結(jié)構(gòu)級/算法級、寄存器傳輸級、邏輯/門級和版圖級。在設(shè)計(jì)的不同層次，影響功耗的因素所起的用途各不相同，因此功耗優(yōu)化的效果也不同;綜合地看，在芯片設(shè)計(jì)時(shí)越早考慮低功耗，取得的效果也越顯著。

1系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)級

在這個(gè)層次上，從系統(tǒng)功能出發(fā)，分為靜態(tài)低功耗設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)功耗管理(DynamicpowerManagement，DpM)技術(shù)兩種。靜態(tài)低功耗設(shè)計(jì)是在考慮系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用不同的電路結(jié)構(gòu)和不同的編碼方式，在設(shè)計(jì)階段(如綜合和編輯)實(shí)現(xiàn)低功耗;而動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)是和運(yùn)行期間的行為密切相關(guān)，它要充分考慮系統(tǒng)和任務(wù)或者和負(fù)載的關(guān)系，做出相應(yīng)的判決，來實(shí)現(xiàn)低功耗。

1)靜態(tài)低功耗方法

①電路結(jié)構(gòu)

并行(parallelism)結(jié)構(gòu)是將一個(gè)數(shù)據(jù)處理功能模塊分為幾個(gè)相同的子模塊，并行處理數(shù)據(jù)，然后選擇對應(yīng)的輸出。這種方法允許在保持總模塊速度不變的情況下，降低各個(gè)子模塊的電壓、頻率等因素，使總功耗降低，但代價(jià)是將新增芯片的面積。

流水線(pipeline)結(jié)構(gòu)是在保持總體速度不變的前提下，將數(shù)據(jù)分段后持續(xù)慢速處理，速度余量則可以通過降低電壓來降低功耗。假如和并行結(jié)構(gòu)相結(jié)合，就可以取得更好的功耗節(jié)省效果。

②電壓技術(shù)

和改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)相同，電壓技術(shù)也是為了補(bǔ)償工作電壓的降低帶來的速度下降[26，27]。多電壓技術(shù)，是針對不同的性能要求，系統(tǒng)中各部分也采用不同的工作電壓以節(jié)省功耗，但這要額外的片內(nèi)電壓轉(zhuǎn)換器。

③編碼優(yōu)化

常用的二進(jìn)制編碼中，采用所有空閑的高位作符號擴(kuò)展位，這將新增耗能的跳變。符號-數(shù)值編碼(如格雷碼等)方法只用最高位代表符號，假如用它來代替二進(jìn)制編碼，可以減少由于數(shù)據(jù)符號改變而出現(xiàn)的功耗。

2)動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)

是系統(tǒng)級功耗優(yōu)化中的一個(gè)有效手段。根據(jù)負(fù)載的請求，子系統(tǒng)可以分為工作和空閑模式。在空閑模式下，可以將子系統(tǒng)關(guān)斷，進(jìn)入低功耗的待機(jī)(Standby)

和不消耗能量的睡眠(Sleep)狀態(tài);反之，則將子系統(tǒng)喚醒，進(jìn)入正常的工作模式。

這種有選擇地關(guān)斷空閑的子系統(tǒng)，降低功耗的效果十分顯著，如在pC系統(tǒng)級功耗管理中，最常見的是將無執(zhí)行任務(wù)的硬盤和顯示器關(guān)斷以節(jié)省功耗。

這種方法的局限性在于，在功耗狀態(tài)切換過程中，通常有延遲，喚醒處于睡眠狀態(tài)的子系統(tǒng)也要更多的能量。因此，DpM技術(shù)要解決以下問題：一是何時(shí)將子系統(tǒng)關(guān)斷，關(guān)斷多長時(shí)間;二是是否值得關(guān)斷，即恢復(fù)狀態(tài)是否要更多的能量。這些都是判決策略要研究的內(nèi)容，目前最常用的方法可分為三種：基于超時(shí)(Timeout)的方法、基于預(yù)估算(predictive)的方法、基于隨機(jī)理論(Stochastic)的方法。

和上述改變子系統(tǒng)的功耗狀態(tài)不同，動(dòng)態(tài)電壓等比例變化(DynamicVoltageScaling，DVS)技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，基于區(qū)間(Interval-based)或基于線程(Thread-based)來預(yù)測系統(tǒng)負(fù)載[33，34]，動(dòng)態(tài)地改變系統(tǒng)的工作電壓。動(dòng)態(tài)電壓和頻率等比例變化(DynamicVoltageandFrequencyScaling)技術(shù)則是同時(shí)改變工作電壓和頻率，獲得最低的系統(tǒng)功耗。

和靜態(tài)低功耗設(shè)計(jì)相比，DpM技術(shù)由于要預(yù)測系統(tǒng)和負(fù)載、系統(tǒng)和電源的關(guān)系，動(dòng)態(tài)地調(diào)整工作狀態(tài)、電壓和頻率，對系統(tǒng)工作狀態(tài)的建模、預(yù)測算法都更復(fù)雜，有更多的工作急待開展，但是可以肯定的是，DpM技術(shù)降低功耗的效果也更顯著。

2寄存器傳輸級

作為綜合(排序和分配)的高層次結(jié)構(gòu)，RTL層次將包含一個(gè)控制部分(也稱控制器)和一個(gè)操作部分(也稱數(shù)據(jù)通路)，如圖2.1.3所示。

數(shù)據(jù)通路以寄存器為特點(diǎn)，而控制器是由組合邏輯來實(shí)現(xiàn)，因此，RTL級低功耗設(shè)計(jì)的對象將是時(shí)序和組合邏輯，這可以采用硬件描述語言VHDL和VERILOG來實(shí)現(xiàn)。另外，RTL的抽象層次決定了它不可能涉及電源電壓和電容，因此降低功耗的途徑重要是降低開關(guān)活動(dòng)因子，即減小寄存器和組合邏輯的跳變頻率。

1)操作數(shù)

在RTL層次，操作數(shù)分離(OperandIsolation)是針對組合邏輯最常用的低功耗技術(shù)，其本質(zhì)是在組合邏輯模塊間加入一個(gè)鎖存器，當(dāng)鎖存器的使能無效時(shí)，寄存器保存值不加以更新，組合路徑被隔斷[36，37]。只有在進(jìn)行有效運(yùn)算時(shí)，組合邏輯才有耗能的跳變出現(xiàn)，這樣便降低了此模塊的功耗。

操作數(shù)變形(OperandTransformation)有時(shí)也稱為數(shù)據(jù)通路的重排序，即是指在不影響邏輯功能的條件下，以翻轉(zhuǎn)頻率最低為策略，對電路單元重新排序來降低功耗的技術(shù)。

2)門控時(shí)鐘技術(shù)

目前，門控時(shí)鐘(Clock-gated)技術(shù)被認(rèn)為是最有效的降低功耗的方法之一，所控制的對象不僅可以是寄存器、鎖存器、時(shí)鐘出現(xiàn)電路等，甚至還可以利用門控時(shí)鐘分布來控制子系統(tǒng)。

以寄存器為例，門控時(shí)鐘的基本思想是，通過一個(gè)門控或使能信號來控制時(shí)鐘，即在所謂的門控時(shí)鐘單元的輸出端出現(xiàn)一個(gè)“門控時(shí)鐘”信號，代替寄存器原有的時(shí)鐘輸入信號。當(dāng)寄存器暫時(shí)不工作時(shí)，門控時(shí)鐘使寄存器處于不觸發(fā)的狀態(tài)，從而阻斷了輸入數(shù)據(jù)的更新，減少了無效的開關(guān)活動(dòng)。在如圖2.1.4所示的門控時(shí)鐘單元中，常用鎖存器來防止使能信號傳播到輸出端時(shí)出現(xiàn)的毛刺。

應(yīng)該指出，時(shí)鐘頻率升高時(shí)，時(shí)鐘偏差(ClockSkew)的影響將不容忽視，由此將新增時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度;考慮到門控時(shí)鐘邏輯的控制電路所出現(xiàn)的額外功耗，門控時(shí)鐘技術(shù)適合應(yīng)用在較高抽象層次;另外，在漏泄電流功耗為主時(shí)，門控時(shí)鐘的用途不大。

3邏輯/門級

這兩個(gè)層次的重要特點(diǎn)是可以在較寬的范圍內(nèi)應(yīng)用先進(jìn)的低功耗技術(shù)。在邏輯優(yōu)化過程中，一些技術(shù)參數(shù)如電源電壓是固定的，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)給定的邏輯時(shí)，設(shè)計(jì)的自由度可以在選擇功能和確定門單元的尺寸上。有較多的文獻(xiàn)研究了兩個(gè)層次的低功耗技術(shù)。

1)局部轉(zhuǎn)換技術(shù)：局部轉(zhuǎn)換(localTransformation)

包括工藝映射(TechnologyMapping)、管腳變換(pinpermutation)、狀態(tài)分配(phaseassignment)等方法，通常是施加在門網(wǎng)表上，并且是針對具有大開關(guān)電容的節(jié)點(diǎn)。其基本思想為：在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近，置換一個(gè)或幾個(gè)門單元，以減小電容和開關(guān)活動(dòng)因子。但是，這種方法必須注意在短路電流和輸出功耗之間取得均衡。

在邏輯綜合階段，常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)有工藝映射，其目的在于，將一個(gè)經(jīng)與工藝無關(guān)的優(yōu)化程序優(yōu)化后的邏輯網(wǎng)絡(luò)，映射到一個(gè)預(yù)含義門單元的目標(biāo)庫。映射策略如下：一是將具有高開關(guān)活動(dòng)因子的節(jié)點(diǎn)映射到單元的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，以降低電容值;二是門單元尺寸的選擇要在單元的驅(qū)動(dòng)能力和功耗之間取得折衷;三是與功耗相關(guān)的工藝映射方法中，還要考慮小的延遲和面積映射。為了進(jìn)一步降低功耗，在工藝映射前，通常要將具有復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的原始電路分解成一系列具有基本功能的門單元，即所謂的工藝分解(TechnologyDecomposition);當(dāng)一個(gè)電路完成映射后，還可以通過門重含義尺寸(GateResizing)和管腳變換，減小不必要的大尺寸的門單元和邏輯等效的管腳排列，來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化功耗。

狀態(tài)分配是通過在節(jié)點(diǎn)間添加反相器，使操作的輸入信號反相，同時(shí)也使輸出反相。這種門級轉(zhuǎn)換技術(shù)減小功耗的途徑如下：一是加入的反相器新增了其它轉(zhuǎn)換的機(jī)會，可以和原有相鄰的反相器作相當(dāng)多的變換，如合并、撤消等;二是這種方法能將高開關(guān)活動(dòng)因子節(jié)點(diǎn)通路上的反相器移走，從而具有更低的功耗。

2)預(yù)決算方法指在原有電路中，加入一個(gè)預(yù)決算(pre-computation)邏輯電路的方法。其基本思想為：在提前一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，有選擇地預(yù)估算電路的邏輯輸出值，并在接下來的一個(gè)周期內(nèi)，關(guān)掉電路內(nèi)部的某些單元，降低節(jié)點(diǎn)的開關(guān)活動(dòng)因子和電容來降低功耗。

3)新的邏輯電路結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)的類型和電路的功耗、面積、速度密切相關(guān)。為了獲得更低的功耗，有較多文獻(xiàn)研究了邏輯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

CpL(passTransistorLogic)是一種研究得較多的低功耗邏輯電路。它用兩組NMOS傳輸門實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的兩個(gè)邏輯信號，兩個(gè)pMOS管用作反饋管，將NMOS傳輸門傳輸?shù)母唠娖缴侠诫娫措妷骸pL電路的優(yōu)點(diǎn)是輸入負(fù)載小，輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是固有節(jié)點(diǎn)多、連線多、布線難度大。

動(dòng)態(tài)邏輯電路有較低的功耗，尤其是動(dòng)態(tài)差分邏輯因?yàn)榫哂懈叩脑肼曇种铺匦远艿街匾暎墨I(xiàn)[49]提出了研究了有限擺幅邏輯(SwingLimitedLogic，SLL)，能夠在給定的電源電壓下實(shí)現(xiàn)高性能，能量延遲積比傳統(tǒng)的電路低一個(gè)數(shù)量級。

4版圖級

1)布局布線在低功耗版圖設(shè)計(jì)中，合理的布局布線是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的布局和布線是以面積和延時(shí)為考慮重點(diǎn)，因此常常追求布線最短、電容最小;而面向低功耗的布局布線方法，不僅考慮傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，還要和設(shè)計(jì)中的信號活動(dòng)性結(jié)合，以信號活動(dòng)性和電容乘積最小為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)低功耗[50]。

2)時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)版圖設(shè)計(jì)中，時(shí)序電路是降低功耗的一個(gè)重點(diǎn)。在同步系統(tǒng)中，時(shí)鐘通常消耗總能量中很大的一部分;不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)中，時(shí)鐘出現(xiàn)和時(shí)鐘分布的功耗所占系統(tǒng)功耗的比例可以達(dá)到30%甚至40%.在這個(gè)階段，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)分布即時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以及驅(qū)動(dòng)方式的選擇，利用緩沖器插入優(yōu)化和變線寬優(yōu)化，可以在節(jié)點(diǎn)延時(shí)和功耗之間取得折衷。另外，鑒于時(shí)鐘偏差對電路性能的重要影響，在保證電路時(shí)序的前提下，可以采用特定的非零偏差時(shí)鐘樹，來獲得有益的功耗降低以及時(shí)鐘頻率和電路穩(wěn)定性的改善。