（电路与系统专业论文）vlsi低功耗设计与研究.pdf

r 一，一y 原创性声明 删 y 1 。7 , , , | | 9 , 1 i l i l i l h | | | 3 r l f jj。8i j i j 1 1 4 i i i l l l 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名t 垄骆 e t 期： 垒里f 里! 兰：! ， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垃导师签名： 弩叫 ，_ 一 ， 飞一一一一 山东大学硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t 3 引言5 1 选题背景5 2 本论文完成的工作5 3 论文内容安排6 第一章l c 低功耗技术背景8 1 1 低功耗问题界定( s c o p eo fp r o b l e m ) 8 1 2 集成电路功耗来源9 1 2 1 动态功耗9 1 2 2 静态功耗1 1 1 2 3 动态功耗静态功耗以及性能的之间的矛盾13 1 3 低功耗相关技术1 3 第二章t d c 低功耗设计15 2 1t d c 系统简介15 2 2r d l 的设计16 2 2 1r d l 中反相器与与非门的设计16 2 2 2 贬稳态问题及其在本电路中的解决方法2 1 2 3 使用多电压技术降低设计功耗2 4 2 4 顶层t d c 低功耗实现2 7 第三章o r l 2 0 0 l p 低功耗设计2 9 3 1o r l 2 0 0 l p 结构2 9 3 2o r l 2 0 0 l p 低功耗架构与u p f 描述3 2 3 2 1u p f ( u n i f i e dp o w e rf o r m a t ) 与u p f 设计流程3 3 3 2 2p o w e r d o m a i n 划分3 6 3 2 3 电源网络( p o w e rn e t w o r k ) 3 8 3 2 4 电平转换器的插入4 2 3 2 5 隔离单元的插入4 5 3 2 6 状态驻留( s t a t er e t e n t i o n ) 与恢复( r e s t o r a t i o n ) 4 8 3 3 设计实现一5 0 3 3 1 逻辑物理综合5 0 山东大学硕士学 3 3 2 低功耗d f t 设计5 3 3 3 3 物理级设计5 5 第四章低功耗设计若干讨论一6 l 4 1 时钟树功耗优化一6 l 4 2 多电压多电源( m v m s ) 设计与功耗门控6 5 4 2 1 多电压设计6 5 4 2 2 多阈值设计( m v t ) 7 0 4 2 3 功耗门控一7 1 4 3 低功耗设计对i c 设计的影响一7 3 4 3 1 自动化的i c 低功耗设计对工艺库的要求7 4 4 3 2 低功耗设计对布局规划的影响7 5 4 3 3 低功耗设计对时序的影响7 7 第五章总结7 9 参考文献8 3 致谢8 9 攻读学位期间发表的学术论文9 0 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 1 e n g l i s ha b s t r a c t 3 i n t r o d u c t i o n 5 1t h e s i sb a c k g r o u n d 5 2w b r ko f t h e s i s 。5 3a r r a n g e o f p a p e r s 6 c h a p t e r li cl o wp o w e r 8 1 i s c o p e o fp r o b l e m 8 1 2s o u r c eo f p o w e rd i s s i p a t i o n 9 1 2 1d y n a m i cp o w e r 9 1 2 2s t a t i cp o w e r 1 1 1 2 3c o n t r a d i c t i o nb e t w e e np o w e ra n dp e r f o r m a n c e 13 1 3l o wp o w e rt e c h n o l o g y 13 c h a p t e r 2t d c l o wp o w e rd e s i g n 15 2 1i n t r o d u c t i o no f t d cs y s t e m 15 2 2r d l d e s i g n 16 2 2 1i n v e r t e rn a n dd e s i g ni nr d l 16 2 2 2m e t a s t a b l es t a t e 2 1 2 3m u l t i v d dt e c h n o l o g y 2 4 2 4t d c t o pd e s i g nf o rl o wp o w e r 2 7 c h a p t e r 3o r l 2 0 0 l pl o w p o w e rd e s i g n 2 9 3 1o r l 2 0 0 l pa r c h i t e c t u r e 2 9 3 2o r l 2 0 0 l pl o wp o w e ra r c ha n du p f 3 2 3 2 1u p f ( u n i f i e dp o w e rf o r m a t ) a n du p ff l o w 3 3 3 2 2p o w e r d o m a i np a r t i t i o n 3 6 i i ! 山东大学硕士学位论文? o 3 2 3p o w e rn e t w o r k 3 8 3 2 4l e v e ls h i f t e ri n s e r t i o n 4 2 3 2 5i s o l a t i o nc e l li n s e r t i o n 4 5 3 2 6s t a t er e t e n t i o na n dr e s t o r a t i o n 4 8 3 3i m p l e m e n t a t i o n 5 0 3 3 1l o g i c p h y s i c a ls y n t h e s i s 5 0 ) 3 3 2l o wp o w e rd f t d e s i g n 5 3 3 3 3p h y s i c a ld e s i g n 5 5 c h a p t e r 4i s s u e sa b o u tl o w p o w e rd e s i g n 6 1 4 1c l o c kt r e ep o w e ro p t i m i z a t i o n 6 1 4 2m v m sa n dp o w e r - g a t i n gt e c h n o l o g y 6 5 4 2 1m u l t i v d dd e s i g n 6 5 4 2 2m u l t i v tt e c h n o l o g y ( m v t ) 7 0 4 2 3p o w e rg a t i n g 7 1 、 4 3i m p a c tt oi cd e s i g nb yl o wp o w e r 7 3 4 3 1l i b r a r yr e q u i r m e n t s 7 4 4 3 2l o wp o w e rf l o o r p l a n 7 5 4 3 3t i m i n gi s s u e 7 7 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n s 7 9 r e f e r e n c e s 8 3 a c k n 。w l e d g 锄e n t s 8 9 _ p u b l i c a t i o n s 9 0 山东大学硕士学位论文 摘要 随着集成电路工艺制程进入超深亚微米甚至纳米级，集成电路的功耗 问题显得日益突出。同时国家节能减排政策的提出以及低碳环保观念的深 入人心，使得超大规模集成电路( v l s i ) 低功耗设计变得越来越重要。本 文分别完成了两个使用不同设计方法流程的设计，并对两个设计中所采用 的低功耗设计技术、其在设计中的实际效果以及引入低功耗架构后对原有 设计方法流程的冲击进行了分析与讨论。 首先本文以时间数字转换系统( t d c ) 中的环形延时链( r d l ) 模块 为例，说明了定制流程中低功耗设计的实施过程以及由此造成的问题与解 决方法。 其次本文以嵌入式处理器o r l 2 0 0 l p 为例，说明了基于硬件描述语言 ( h d l ) 与统一功耗格式( u p f ) 的超大规模集成电路( v l s i ) 低功耗设 计过程，以及其基于e d a 工具的实现流程。通过使用u p f 描述设计者的 低功耗意图，如o r l2 0 0 l p 中的功耗域、功耗开关、隔离单元、电平转换 单元、保持寄存器( r e t e n t i o nr e g i s t e r ) 、功耗状态表( p s t ) 等，将带功 耗门控的多电压多电源低功耗策略应用于电路中，确立o r l2 0 0 l p 的低功 耗架构，并使用物理综合以及布局布线c a d 工具完成设计实现。 最后本文对设计中所使用的时钟门控、静态多电压( s m v ) 、动态电 压频率调整( d v f s ) 、功耗门控( p o w e rg a t i n g ) 、多阈值( m u l t i v t ) 技 术以及低功耗设计相关问题作了讨论，并对设计的功耗降低效果进行了分 析。 本论文的创新点包括： 提出了一种新的采样结构，保证了电路在进入亚稳态时仍然能够准 确的判断出翻转信号所处的位置，有效减少亚稳态对于设计精度以及短路 功耗的不利影响，提高设计精度； 通过与非门的引脚交换，得到了一种更低能量消耗的r d l 结构； 提出了一种软件算法控制+ 硬件时序控制的动态电压及功耗门控控 制策略。根据工作负载的不同通过使用软件实现动态电压调整( d v s ) 及 功耗门控算法，提高了设计的灵活性，控制硬件电路功耗管理( p m ) 模块 山东大学硕士学位论文 来实现对各模块电压通断以及电压值的调度处理，从而得到最优的功耗降 低值； 通过确定功耗门控单元( p o w e rs w i t c h ) 的位置与数量，以及电源 网络的分布，得到一种低i r d r o p ( 电压降) 以及e m ( 电迁移) 的电源布 线；通过采用菊花链式结构实现p o w e r s w i t c h 控制信号的连接，有效减低 电源网络开关时的浪涌电流( r u s hc u r r e n t ) ； 最终的设计结果表明，设计的功耗降低效果显著。 关键词：超大规模集成电路；低功耗设计；时钟门控；多电压；动态电压； 频率调整；功耗门控 2 f 一 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h es e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s st e c h n o l o g yi n t ot h ed e e ps u b m i c r o n o re v e n n a n o m e t e r , p o w e rc o n s u m p t i o n i s b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t t h e p r o p o s i n ge n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yn a t i o n a lp o l i c ya n dl o wc a r b o n c o n c e p td e e p l yr o o t i n ga m o n gp e o p l e s ，t h ev l s il o wp o w e rd e s i g ni sb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t h i sp a p e ru s e sd i f f e r e n td e s i g nm e t h o d s f l o w st oc o m p l e t et w o d e s i g n , a n da n a l y z e st h el o wp o w e rt e c h n i q u e s ，r e s u l t so fd e s i g na n di m p a c tb y i n t r o d u c i n gl o w - p o w e ra r c h i t e c t u r e f i r s to fa l l ，t h er i n gd e l a yc h a i n ( r d l ) m o d u l ei nt i m e - d i g l t a lc o n v e r t e r ( t d c ) s y s t e mi m p l e m e n t a t i o np r o c e s si l l u s t r a t e st h ec u s t o mp r o c e s sf o rl o w p o w e rd e s i g na n d t h es o l u t i o n sf o rf o l l o w i n gp r o b l e m s s e c o n d ，t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g eb a s e da n du n i f i e d p o w e rf o r m a t ( u p f ) b a s e dv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( v l s i ) l o w - p o w e rd e s i g n p r o c e s s ，a n di t si m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e sb a s e do ne d at o o l s ，u s i n gt h ee m b e d d e d p r o c e s s o ro r 12 0 0 l pd e s i g n w i t h u p f ，l o w p o w e ri n t e n t so ft h ed e s i g n e ra r e d e s c r i b e d ，s u c ha sp o w e rd o m a i n so fo r12 0 0 l p ，p o w e rs w i t c h e s ，i s o l a t i o nc e l l s ，l e v e l s h i f l e r s ，r e t e n t i o nr e g i s t e r , p o w e rs t a t et a b l e ( p s t ) p o w e r - g a t e i n ga n dm u l t i v o l t a g e m u l t i - s u p p l yl o wp o w e rs t r a t e g i e sb eb r o u g h tt oc i r c u i t ，t oe s t a b l i s ho r 12 0 0 l p l o w - p o w e ra r c h i t e c t u r ea n dc o m p l e t et h ed e s i g nl a y o u tb yu s i n ge d ap h y s i c a l s y n t h e s i sa n dp & rt o o l s f i n a l l y , t h e c l o c k g a t i n g a n ds t a t i c m u l t i v o l t a g e ( s m v ) ，d y n a m i cv o l t a g e f r e q u e n c ys c a l i n g ( d v f s ) ，p o w e rg a t i n g ( p o w e rg a t i n g ) ，m u l t i t h r e s h o l d ( m u l t i - v t ) ， a n dl o w p o w e rd e s i g nt e c h n i q u e sr e l a t e di s s u e sa r ed i s c u s s e d ，a n dd e s i g ne f f e c to f r e d u c i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o n i sa n a l y z e d t h ei n n o v a t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d e ： an e ws a m p l i n gs t r u c t u r ei sp r o p o s e d ，e n s u r i n gt h a tt h el o c a t i o no ft h et u r n s i g n a li sa c c u r a t e l yd e t e r m i n ew h e nc i r c u i t ss t a yi nm e t a s t a b l i l i t y ，e f f e c t i v e l yr e d u c i n g d e s i g ns h o r t - c i r c u i tp o w e rc o n s u m p t i o na n di n c r e a s i n gt h ed e s i g na c c u r a c y 3 山东大学硕士学位论文 w i t he x c h a n g i n gg a t ep i n ，al o w e re n e r g yc o n s u m p t i o nr d ls t r u c t u r ei s o b t a i n e d ac o n t r o ls t r a t e g yo fs o f t w a r ea l g o r i t h mc o n t r o l s + h a r d w a r et i m i n gc o n t r o l sf o r d y n a m i cv o l t a g es c a l i n gw i t hp o w e rg a t i n g a d j u s t i n gd i f f e r e n td y n a m i cv o l t a g e s c a l i n g ( d v s ) w i t hp o w e rg a t i n ga l g o r i t h mb ym o d i f y i n gs o f t w a r ei m p r o v e st h ed e s i g n o ff l e x i b i l i t y c o n t r o lh a r d w a r ei m p l e m e n t st h ep o w e ro n o f fs c h e d u l i n go fm o d u l e s a n dt h u sr e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o nv a l u e g e tal o wi r d r o pa n de l e c t r o n m i g r a t i o np o w e rn e t w o r kd i s t r i b u t i o nb y d e t e r m i n i n gt h el o c a t i o na n dq u a n t i t y ，a n dp o w e rp l a n n i n g ；t h r o u g ht h eu s eo fd a i s y c h a i ns t r u c t u r et oa c h i e v et h ec o n n e c t i o no fp o w e r s w i t c hc o n t r o ls i g n a l ，t h er u s h c u r r e n ti sd e c r e a s e d ； t h ef i n a lr e s u l t so fd e s i g n ss h o wt h a tt h ei m p r o v e m e n to ft h ep o w e rc o n s u m p t i o n i so b v i o u s k e yw o r d s ：v l s i ，l o wp o w e r , c l o c kg a t i n g ，m u l t i v d d ，d y n a m i cv o l t a g e f r e q u e n c ys c a l i n g ，p o w e rg a t i n g 4 【f 一 山东大学硕士学位论文 1 选题背景 引言 当前，集成电路设计已经越来越多的被应用到移动设备消费电子领域。对于 移动设备，特别是在消费电子市场以及移动多媒体应用，尽管性能同样重要，但 是由于其使用电池供电并且要有小的体积，所以功耗是一个主要的权衡因素。即 便是使用电源线供电的设备，也有巨大的压力来推动其在减少体积提高性能的同 时，降低其功耗以增强其稳定性。 在之前的集成电路设计中功耗一直是次等重要的考虑因素，排在首要考虑的 因素如成本，面积，时序等之后。而现在，对于大多数的s o c 设计，功耗指标已 经成为项目中最重要的设计指标之一。对于一个项目来讲，忽略功耗预算是致命 的，它可能需要将设计从一个便宜的塑料封装变为一个昂贵的陶瓷封装，或者因 为过大的功耗密度引起不能接受的可靠性的降低，或者导致设计不能满足电池寿 命的要求【l 】。当今最先进的处理器芯片的功耗能够达到1 0 0 1 5 0 瓦特，每平方厘米 的平均功耗密度5 0 7 5 瓦特。芯片上局部的热点甚至能够达到这些值的数倍高。功 耗密度的升高不仅是对封装以及散热的挑战，同时也会引起稳定性的问题，因为 平均无故障时间( m e a nt i m et of a i l u r e ) 随着温度的升高按指数减少。另外，随着 温度的升高，时序会变差并且漏流会随之增加。 本论文中所涉及的两个设计t d c 系统与o r l 2 0 0 l p 嵌入式微处理器，来源于 与两个企业的合作项目。设计一t d c 系统作为便携式设备的一部分，对于电路的 功耗有较为严格的规定；设计二o r l 2 0 0 l p 嵌入式微处理器将被用于智能功率模 块( i p m ) ，用以实现电机的变频控制从而实现节能的目的，为与其节能的理念相 一致，o r l 2 0 0 l p 需要进行低功耗的设计。 2 本论文完成的工作 本论文的主要目的是参照i e e e l 8 0 1 标准以及a c c e l l e r au p fv 1 0 标准，通过 对笔者所从事的两个i c 设计项目进行低功耗设计，对低功耗设计在实际应用中所 遇到的问题进行研究，并寻找相应的解决方案，将当前先进的集成电路低功耗设 计技术与i c 通用设计方法相融合。 5 山东大学硕士学位论文 论文主要完成的工作包括： 1 ) 对于低功耗相关技术以及标准的深入研究 2 ) 使用定制的设计流程完成设计一中的r d l 模块，并对r d l 的功耗与电压 以及测量精度的关系进行了研究，寻找到功耗与精度实现平衡的电源电压 最优值，并提出了一种通过对亚稳态的抑制来减少短路功耗的方法及相应 的电路结构；使用自顶向下( t o p d o w n ) 的设计流程完成t d c 系统的设 计，使用多电压架构以适应r d l 保持低电压而t d c 数字部分保持通用电 压的设计要求，并最终完成此架构在版图上的实现。 3 ) 参照i e e e l 8 0 1 标准以及a c c e l l e r au p fv 1 0 标准，应用当前先进的多电压 多电源技术( m v m s ) 、动态电压频率调整技术( d v f s ) 以及功耗门控 ( p o w e r g a t i n g ) 技术，在设计二r t l 逻辑功能描述的基础上使用u p f 完 成系统的功耗需求描述，在进行低功耗架构相关单元的插入后，对引入低 功耗架构后电路的电源网络分布、电压域的创建与位置确定等进行了细致 的设计，并完成了与功耗相关的布局优化、时钟树综合( c t s ) 以及布线 ( r o u t e ) 优化，得到设计最终的版图。 4 ) 在完成设计一设计二的基础上，对设计中所采用的低功耗技术进行了进一 步的研究，并根据设计的结果对相应的技术的效果进行分析，为实际集成 电路低功耗设计中技术的选用提供建设性意见。另外，对低功耗架构引入 后对时序检查、布局规划等造成的影响进行了分析，并给出了相应的解决 方法。 3 论文内容安排 本文主要对现代超大规模集成电路低功耗设计进行研究，以解决在将先进的 低功耗技术移入到当前设计流程时所碰到的问题。具体的内容安排如下： 第一章介绍了低功耗设计的应用背景，分析了集成电路的功耗来源，并介绍 了当前集成电路设计中的低功耗技术。 第二章给出了时间数字转换( t d c ) 系统的低功耗设计过程，其中着重介绍 了全定制模块r d l 对于低功耗技术的处理方法，并给出了一种消除亚稳态对t d c 测量精度以及短路功耗影响的新的电路结构。 第三章介绍了使用u p f 低功耗设计流程基于开源精简指令集的嵌入式处理器 6 山东大学硕士学位论文 的低功耗设计，包括系统级的u p f 描述，低功耗架构单元的插入以及物理实现。 第四章对第二章与第三章介绍的两个设计所采用的低功耗技术进行了迸一步 的讨论，并分析了先进低功耗结构的引入对集成电路设计工具以及方法的冲击。 第五章为总结部分，总结主要工作，并对下一步将要进行的工作进行展望。 7 山东大学硕士学位论文 第一章i c 低功耗技术背景 1 1 低功耗问题界定( s c o p e o fp r o b l e m ) 回顾集成电路的发展，每一新工艺节点上，最高性能的：签片的功耗呈增长趋 势。因为功耗的原因，国际半导体技术路线图组织( i t r s ) 曾经预测：2 0 0 8 年这 些高性能芯片的功耗将要达到1 9 8 瓦的最大值，然后功耗将保持稳定。在服务器 领域，和功耗相关的基础设施成本( 电源，冷却) 已经抵得上处理器本身的成本。 对于应用越来越广泛的电池供电的手持设备，问题同样严重。电池蓄电能力的提 升速度，远远跟不上芯片集成度的增长，根据i t r s 的报告，手持设备的电池续航 时间在2 0 0 4 年达到顶点，从那以后电池的续航能力将随之降低，因为芯片中的功 能的增加大大快于功耗功能的降低。i t r s i n e m i ( 国际电子生产商联盟) 提供的 s o c 功耗发展趋势( 图1 1 所示) 显示，虽然随着集成电路的发展( 2 0 0 7 2 0 1 7 ) 电源电压的下降，但是s o c 的功耗却继续呈现增长趋势。 + 功耗6 吲o _ 一功耗玎r 9 十电压袖嘲n + 电压f n 吗 2 0 1 1 图1 - 1i t r s i n e m is y s t e m o i l c h i p 功耗趋势比较 随着集成电路工艺步入下一个工艺节点，这些问题变得更为恶化。i t r s 做过 如表1 1 所示预测。 表1 1 不同工艺节点的功耗密度 许多设计团队正在非常努力的减少芯片的功耗增长到这些预测值以下，因为 即使在9 0 n m 之下，许多设计的功耗也超过了他们客户可接受的程度【l o 】。所以低功 耗设计不仅对于电池供电的设备必不可少，对于线缆供电的设备同样重要。特别 山东大学硕士学位论文 是随着国家低碳、绿色经济政策的确立，功耗因素已经成为i c 设计首先考虑的因 素之一。 1 2 集成电路功耗来源 1 2 1 动态功耗 s o c 的总功耗是由动态功耗( d y n a m i cp o w e r ) 和静态功耗( s t a t i cp o w e r ) 组 成。动态功耗是电路处于活动期间所消耗的功耗，也就是信号变换值时所产生的 功耗。静态功耗是当电路处于电源供电状态而没有信号翻转时所消耗的功率。在 c m o s 电路中，静态功耗主要是由漏流引起的。 动态功耗中最主要的是丌关功耗( s w i t c h i n gp o w e r ) ，即驱动负载充放电所需 的功耗。图1 2 是开关功耗的示意图。 电源 o u 了 容 图l - 2 动态功耗来源 负载电容每次翻转所需要的能量为： e n e r g y t r a n s i t i o n = c l v d d z c l 是负载电容，v d d 是电源电压。则动态功耗为： p d y n = e n e r g y t r a n s i t i o n = c l v d d z p 胁1 0 c k p 岫。为门输出的翻转概率，l k 为系统的时钟频率。 如果定义： c e 萨p t m 雌c l 则开关功耗的定义可以变为更为熟悉的公式： p 洲i t c h = c e f f v i o c k 由上面的公式我们可以看到，开关功耗不是晶体管尺寸的函数，而是开关活 动性( s w i t c h i n g a c t i v i t y ) 和负载电容的函数。但是在当前晶体管的尺寸增大时， 9 山东大学硕士学位论文 虽然没有增加它所驱动负载电容产生的开关功耗，然而它作为前一级晶体管的负 载，会增大前一级的负载电容从而增大整个电路的功耗，所以晶体管的尺寸仍然 会影响整个电路的功耗。 除了丌关功耗外，内部功耗i n t e r n a lp o w e r ( 短路功耗s h o r t c i r c u i tp o w e r 是 内部功耗的一部分) 也是动态功耗的一个重要来源。图1 3 描述了内部功耗产生的 机理。 电源 o u t 各 图1 - 3 短路功耗来源 内部功耗主要由于门的输入信号并不是理想的陡直信号，有一定的斜率( 即_ t r a n s i t i o n t t i m e 不为o ) ，从而造成信号翻转时门中的n m o s 与p m o s 晶体管同时 导通产生自电源到地的短路电流而引起的( 这一部分功耗称为短路功耗) 。在标准 单元库中的门单元的内部功耗还包括对单元内部电容充放电所需电流产生的功 耗。内部功耗的计算公式为： p i n t = t s c v d d i p e a k 。e l o c k 其中t s c 是短路电流持续的时间，i p c a k 是总的内部电流( 短路电流加上对内部 电容充放电所需的电流) 。所以，总的动态功耗计算公式为： 一 p d ”= ( c e f f v d d 2 l o c k ) + ( t s c v d d i p e a k e l o c k ) 从上式中可以看到，动态功耗与信号节点的翻转概率、负载电容、电源电压、 系统时钟频率、电路短路电流持续时间、总的内部电流有关，所以降低动态功耗 需要从这几个方面入手。因为动态功耗与v d d 的平方成正比，所以只要有可能就 应该减少系统电源电压的值。t s c 与输入信号的t r a n s i t i o nt i m e 相关，只要输入信号 的转换时间保持尽可能得短，则每次翻转时短路电流只能维持很短的一段时间， 那么就可以降低系统的动态功耗。 在架构级、逻辑级以及电路级有许多技术可以减少动态功耗，这些技术主要 聚焦在降低公式中电压和频率部分，以及减少数据相关的开关活动性。 l o 山东大学硕士学位论文 1 2 2 静态功耗 在c m o s 电路中，漏电流有四个主要来源( 如图1 4 所示) 。 亚阈值漏流( s u b t h r e s h o l dl e a k a g e ，i s t m ) 一当晶体管处于弱反型时，从 漏极到源极的电流。 栅漏流( g a t el e a k a g e ，i g a t e ) 一由于栅氧隧道效应和热载流子注入，直接 从栅电极经过栅氧化物到达衬底的电流。 栅致漏极漏流( g a t ei n d u c e dd r a i nl e a k a g e ，i c i d l ) 一由于高的v d 6 在 m o s f e t 的漏极形成高的场效应而导致的从晶体管漏极到衬底的电流。 反偏结漏流( r e v e r s eb i a sj u n c t i o nl e a k a g e ，i r e v ) 耗尽层中由于少子的 漂移以及电子空穴对的产生而引起的电流。 v n n 漏流 图1 - 4 漏流功耗来源 当c m o s 门并不是完全关闭时，就会产生亚阈值漏流。下面的漏流计算公式 可以得到一个好的近似值。 如旷l t c o x v t 2w _ _ 厶_ 8 百v o s - v r ， w 为晶体管沟道宽，l 为晶体管沟道的长度，v m 为热电压k t q ( 室温下为 2 5 9 m y ) 。v r 为闽值电压。参数n 是器件制造工艺的函数，范围从1 0 到2 5 。这 个公式说明亚阈值漏流与v g s 和v t 差值成指数关系。所以当为了减少动态功耗 而按比例缩小( s c a l i n g ) v d d 和v t 时，漏流按指数增加。 栅电流是通过栅氧的隧道电流形成的。在9 0 r i m 工艺下，栅氧厚度( t o x ) 仅 仅是几个原子的厚度，厚度如此薄以至于隧道电流变得非常明显。在以前的工艺 节点下，漏流由亚阂值电压主导。但是从9 0 n m 工艺开始，栅漏流已经接近亚阈值 漏流的1 1 3 。6 5 n m 工艺制程下，在某些情况栅漏流可以等于亚阈值漏流。在未来 山东大学硕士学位论文 的工艺节点，高k 介质材料将被使用以抑制栅漏流( i n t e l4 5 n m 工艺即使用高k 金属栅工艺) 。目前来看，这似乎是减少栅漏流的唯一手段。 亚阈值漏流随温度成指数增加，这极大的提高了低功耗系统设计的复杂度。 即使在室温下漏流是可接受的，在最坏情况下它可能超过芯片设计的目标。有几 种方法可以减少漏流。一种技术是多阈值( m u l t i 一) 技术：在性能目标( g o a l ) 能够得到满足的地方使用高阈值单元而在需要满足时序要求的地方使用低阈值单 元；另一种技术是功耗门控( p o w e rg a t i n g ) ：当系统中的某一部分不活动时关闭 这一部分电路的电源电压。这两种技术本论文后面将会详细地讨论。还有三种技 术，在这里简单介绍： v t c m o s 技术：可变阈值c m o s ( v a r i a b l e1 1 鹏s h o l dc m o s ，v t c m o s ) 是另一种减少漏电流的非常有效的方法。通过在衬底上施加一个反向偏置的电压， 可以有效的提高阈值v t ，从而减少漏流公式中的( v g s v t ) 项。这种方法可以 有效的减少旁路漏流达3 个数量级。但是，v t c m o s 增加了库的复杂度，并且需 要两个另外的电源网络来分别控制施加到井上的电压。不幸的是，体偏效应的有 效性随