新芯计划(2)低功耗设计 |
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1、同步设计——亚稳态 2、时钟资源——MMCM与PLL 文章目录 系列文章目录前言一、功耗分类二、动态功耗2.1 翻转功耗(switching power)2.2 短路功耗 三、静态功耗四、低功耗设计五、SOC功耗组成 前言本节整理功耗相关内容,主要介绍了动态功耗和静态功耗以及功耗评估中的重要因素,若内容有误,欢迎和感谢各位指正! 参考文献1:数字IC笔试题(7)——低功耗设计【静态功耗】【动态功耗】 参考文献2:芯片设计进阶之路——低功耗深入理解(一) 一、功耗分类
翻转功耗或者称为开关功耗,简单的说就是一个门电路输出在0/1之间翻转所消耗的功率。 在实际的门电路中,存在着输出负载电容,输出为1时会对电容进行充电,使之达到逻辑电平1,输出为0时需要对电容放电,使之成为逻辑电平0,在这些充放电过程中一部分功率以热能的形式被消耗了。 P d y n 1 = K ∗ F ∗ C ∗ V 2 P_{dyn1} = K*F*C*V^2 Pdyn1=K∗F∗C∗V2 K:常数,F:工作频率,C:电容值,V:电压 因此,翻转功耗与 电压,翻转率,负载电容有关;传输的数据不会影响翻转功耗,但是数据的翻转率会影响翻转功耗;和传输的大小也无关相应的低功耗方法就是: 降低电压;降低翻转率;减少负载电容 2.2 短路功耗短路功耗是因为在输入信号进行翻转时,信号的翻转不可能瞬时完成,因此PMOS和NMOS不可能总是一个截止另外一个导通,总有那么一段时间是使PMOS和NMOS同时导通,那么从电源VDD到地VSS之间就有了通路,就形成了短路电流 P d y n 2 = t ∗ V ∗ I p e a k P_{dyn2} = t*V*I_{peak} Pdyn2=t∗V∗Ipeak t t t:短路电流持续时间, V V V:电压, I p e a k I_{peak} Ipeak:短路电流 由于传输中短路持续的时间特别短,短路功耗相比翻转功耗来说小很多 三、静态功耗静态功耗是由于漏电流引起的,在CMOS 门中,漏电流主要来自4个源头: 亚阈值漏电流(Sub-threshold Leakage, ISUB): 亚阈值泄漏电流是晶体管应当截止时流过的电流. 栅极漏电流(Gate Leakage, Igate): 由于栅极氧化物隧穿和热载流子注入,从栅极直接通过氧化物流到衬底的电流。 栅极感应漏电流(Gate Induced Drain Leakage, IGIDL): 结泄漏电流发生在源或漏扩散区处在与衬底不同电位的情况下。结泄漏电流与其他泄漏电流相比时通常都很小。 反向偏置结泄漏(Reverse Bias Junction Leakage ,IREV):由少数载流子漂移和在耗尽区产生电子/空穴对引起。 具体见参考文献2:芯片设计进阶之路——低功耗深入理解(一) 可以把静态功耗统一为公式: P s t a = V ∗ I l e a k P_{sta} = V*I_{leak} Psta=V∗Ileak V V V:电压, I l e a k I_{leak} Ileak:漏电流 四、低功耗设计电压角度 V: (1)降低工作电压; (2)多电压域; (3)动态电压缩放DVS技术(处理器在不同工作模式下使用不同电压); (4)电源关断技术,power-gating; 电流角度 I l e a k I_{leak} Ileak(漏电流): (1)使用HVT高阈值晶体管,漏电流小; (2)多阈值; 负载电容角度:与工艺有关 (1)按比例缩小集成度,降低器件电容; (2)多芯片系统中,可以考虑多芯片封装,减低接口间电容; (3)合理的布局布线; 工作时钟频率角度: (1)降低工作频率; (2)多时钟域; (3)门控时钟,clock gating; 数据翻转率角度: (1)使用格雷码等状态翻转比较少的编码; (2)数据不操作说,保持上次的值,而不是强制置0或者置1; (3)使用使能信号、片选信号,减少不必要的切换; 五、SOC功耗组成参考文献2:芯片设计进阶之路——低功耗深入理解(一) SOC中不同结构的对功耗的消耗是不一样的。有几个功耗大户如下: 时钟树功耗:时钟树的功耗通常占整个SOC功耗的40%左右,这是因为时钟是一直在翻转的信号,所以动态功耗特别大。所以门控时钟技术就特别重要。 CPU: CPU是SOC主控制器,工作时CPU一般都必须要打开,随着CPU频率越来越高,功耗也越来越大。所以现在的多核,大小核就比较流行,不同场景下用不同功耗的CPU核; GPU: GPU是并行处理单元,由于其算力主要来自多个模块并行计算,为了正常工作,通常需要很多模块同时运算,功耗也很大,所以很多SOC都不带GPU或者默认关掉; 存储器:DDR这些存储器作为SOC主存也需要时刻使用,也是功耗消耗的大户。 SOC还有很大其他模块,但是时钟树,CPU/GPU, 存储器占了绝大部分的功耗。 |
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