SoC设计方法与实现第十一章低功耗设计内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势为什么需要低功耗设计•便携式设备——电池寿命•桌面系统——高功耗•高功耗对系统的影响系统可靠性系统性能系统生产及封装成本系统散热成本内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势功耗的类型•负载电容充放电时引起的功耗，称为动态功耗翻转功耗是数字电路要完成功能计算所必须消耗的功耗，称为有效功耗短路功耗是由于CMOS在翻转过程中PMOS管和NMOS管同时导通时消耗的功耗，称为无效功耗•漏电流引起的功耗，称为静态功耗2DDswscDDswleakDD12PCVfNQVfNIV动态功耗静态功耗短路功耗漏电流功耗翻转功耗动态功耗——翻转功耗CMOS电路中的动态电流2swithswDDsw01()d2TPfNPttCVfN动态功耗——短路功耗CMOS电路中的短路电流shortDDswxPQVfN静态功耗•在CMOS电路中静态功耗主要是由漏电流引起的功耗。漏电流主要由以下几部分组成：PN结反向电流I1（PN-junctionReverseCurrent）源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2（Sub-thresholdCurrent）栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3（GateInducedDrainLeakage）栅极和衬底之间的隧道漏电流I4（GateTunneling）漏电流leakgeDDleakPVICMOS工艺的发展与功耗的变化TSMC和BPTM的工艺下晶体管的各种参数CMOS工艺的发展与功耗的变化在不同工艺下的MOS管漏电流的组成CMOS工艺的发展与功耗的变化不同电压、不同工艺、不同频率及不同晶体管数目下CMOS电路的功耗实例（源自Intel）SoC中的主要功耗两个典型的SoC系统中的功耗组成SoC中的主要功耗ARM946-S中系统功耗的组成部分内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势低功耗反馈的前向设计方法各层次优化方法及优化效果内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势工艺优化•多阈值工艺（Multi-VtDesign）方法•电源门控（PowerGating）方法工艺优化——多阈值工艺阈值与漏电流的关系工艺优化——多阈值工艺一种使用多阈值工艺的设计流程工艺优化——电源门控方法电源闸门方法电压优化•体偏置（BodyBias）•多电压（Multi-VoltageScaling）电压优化——体偏置用于体偏置的三阱结构MOS管电压优化——多电压多电压设计门控时钟技术•预计算•门控时钟门控时钟技术——预计算•预计算是指通过判断输入向量在满足一些特定条件时将输入释放或屏蔽简单的停时钟电路门控时钟技术——门控时钟•门控时钟即用逻辑门电路控制模块时钟的停或开简单停时钟电路简单的门控电路产生时钟毛刺门控时钟技术——门控时钟使用锁存器停时钟带锁存器的停时钟单元工作波形图门控时钟的RTL代码always@(CLKorCLK_EN)if(!CLK)CLK_TEMP<=CLK_EN；assignGCLK=CLK&CLK_TEMP；门控时钟的可测性设计测试模式下门控时钟单元被旁路门控时钟的时钟树设计在时钟树的根处停GCLK门级优化技术•毛刺的消除•逻辑级优化•物理级优化•控制输入向量门级优化技术——毛刺的消除•这里的毛刺是指由于电路中信号的传输延迟引起的不必要的翻转，它的存在会引起很大的动态功耗消除毛刺前的电路消除毛刺后的电路门级优化技术——逻辑级优化•调整门的大小•引脚的重分配•重排序操作•重新映射门级优化技术——物理级优化•物理级优化主要通过减少翻转和减少负载电容来降低系统的功耗•物理级优化主要有以下几种方法：使用低功耗的库设计低功耗的布局规划基于功耗优化的布局规划通过布局布线来减少毛刺在优化布局的时候调整缓冲器和连线的大小调整晶体管的大小减少负载电容门级优化技术——控制...
