通过前面两篇文章我们学习了现代数字芯片中主要的功耗来源、降低功耗的必要性、如何对功耗进行分析等内容：

这一篇文章将从系统级、RTL级、门级、电路级、版图级这几个不同的层面分析如何降低功耗。

对于一款SoC芯片而言，软硬件如何进行划分通常由芯片架构师决定。理论上硬件能够实现的功能，软件一定也能实现。对于灵活性较强，且计算频率不是特别高的运算单元（或者是算子）如果使用专用的ASIC电路实现，会显得得不偿失。而对于计算密集型且计算频率特别高的运算单元，使用硬件实现，可以利用流水线和并行等技术大幅增加系统吞吐率，减少系统延时。上面也是一些最基本的划分软硬件的方式，真实的SoC设计中，这一部分非常重要，需要工作多年的架构师和下属员工展开充分的讨论，才能够得到相应的结果。ZYNQ、EFPGA等技术都充分体现了软硬件协同设计的思想，如何更好的进行软硬件划分，需要大家多实践才能体会。此外有关高效的软硬件协同设计，大家可以看一下下面这个视频和对应的文章，讲的非常好。

什么默认大家都知道什么是指令集。指令集是处理器的语言，规定了处理器的行为。传统的CPU、GPU、近期流行起来的NPU等都是基于指令运行的（NPU不一定是）。对指令集进行优化可以显著降低功耗，指令集优化主要包括以下几个方面：

动态功耗管理是一种使系统或系统单元在不工作时候进入低功耗的休眠状态的控制技术。由于系统在正常工作状态和休眠状态之间的转换需要时间，会影响系统性能。

根据维基百科的定义：总线（Bus）是指计算机组件间规范化的交换数据（data）的方式，即以一种通用的方式为各组件提供数据传送和控制逻辑。总线由于电容大、数据传输密度高，产生大量的功耗。总线的低功耗设计技术包括：

有限状态机的状态分配对其最终逻辑实现的面积有很大的影响

预计算逻辑的基本思想是有选择地对电路输出的逻辑值进行提前一个时钟的预计算，然后利用预计算的值来减少电路内部的开关活动。这个其实很好理解，就是在不影响关键路径的前提下，在本级逻辑中多算一些下一级逻辑需要的数据，减少下一级逻辑需要的运算，此方法还可以缩短关键路径。

重定时是在流水化电路中，插入新的寄存器或者重新安排寄存器的位置。在流水线的设计中，通过对寄存器插入位置的调整，可以减少寄存器的数目和改善延时。

如下图， E_0C_{L1}+E_{1}^"C_R+E_2^"C_{L2}3.2、路径平衡

路径平衡是指为使得某一逻辑门的几个输入信号同时到达，而采用的路径延迟等技术。路径平衡技术能大大减少在该逻辑门输出端产生多余翻转的可能。

工艺映射就是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。其基本原理是把翻转率高的节点隐藏到负载电容小的门单元内部，从而降低功耗。

如下图所示，将高翻转率信号隐含在单元中，且单元驱动的负载又小，因而明显缩小功耗。

门尺寸优化的基本思想是对非关键路径的门可以缩小尺寸以减小面积和功耗。如果电路的性能不是其设计约束，那么可以通过减小所有门的尺寸来获得低功耗。因此门尺寸优化问题可以转化为满足给定延迟约束条件下的功耗极小化问题。

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、信号延时等参数是不同的。引脚分配的基本思想就是将活性因子大的信号结点分配到输入电容相对小的引脚。

将控制值中最大概率的输入信号分配到靠近门输出端的晶体管。由于该晶体管经常被关断，该方法可以组织内部节点进行不必要的充电和放电。

一般来说，一个给定的逻辑函数可以用多种不同的逻辑风格实现，例如静态CMOS、动态CMOS、传输晶体管、差分级电压开关逻辑等。

传输晶体管逻辑风格最适合低功耗设计，因为相对于传统的静态CMOS电路，传输晶体管需要更少的晶体管。

接下来我们做个题加深一下理解：

解答如下：其中 t_d 为模块的延时，要保证关键路径延时不变。

从公式 T_d=C_LV_{DD}/(V_{DD}-V{th})^2 可以看出：

几个解决的方案：

如下图所示，关键路径可以使用降低阈值电压，从而降低延延时。

版图优化必须同时优化器件和互连。这方面的大部分工作是基于Elmore模型。这些模型没有显式地将互连延迟和功耗与晶体管、引线的尺寸联系起来。因此有必要建立适当的模型，以利于版图级的优化。

深亚微米技术的应用，使得互连线的功耗逐渐成为整个电路功耗的主要部分。过去的布局布线技术只考虑面积和延时的因素，在加入来自设计前端的信号互动信息后，以实现对功耗的优化。

功耗降低技术的应用举例：

如下图所示，采用门控时钟、总线翻转、DVS（动态电压调节）几个方面的优化，有效地降低了功耗。

低功耗设计的一些基本策略：

最后总结一下这三篇文章：

总而言之，低功耗设计是个博大精深的话题，大公司一般有专门的团队负责这一块，相关的文献、书籍也有很多，这里只是给大家入了个门。如果对这方面感兴趣，可以去低功耗部门工作，看相关的文献或者书籍。这一系列的文章到这里完结了，希望对大家有所帮助。

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