SoC设计第11章

1、SoC设计方法与实现设计方法与实现第十一章低功耗设计低功耗设计郭炜郭炜 魏继增魏继增 郭筝郭筝 谢憬谢憬内容大纲内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势内容大纲内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计便携式设备便携式设备电池寿命电池寿命桌面系统桌面系统高功耗高功耗高功耗对系统的影响高功耗

2、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内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势功耗的类型功耗的类型负载电容充放电时引起的功耗，称为动态功耗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，称为静态功耗漏电流引起的功耗，称为静态功耗2DDswscDDswleakDD12PC

3、Vf NQVf NIV 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动态功耗翻转功耗翻转功耗CMOS电路中的动态电流电路中的动态电流2swithswDDsw01( )d2TPfNP ttC VfN动态功耗动态功耗短路功耗短路功耗CMOS电路中的短路电流电路中的短路电流shortDDswxPQVf N静态功耗静态功耗在在CMOS电路中静态功耗主要是由漏电流引起的功耗。漏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：电流主要由以下几部分组成： PN结反向电流I1（PN-junction Reverse Current） 源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2（Sub-thre

4、shold Current） 栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3（Gate Induced Drain Leakage） 栅极和衬底之间的隧道漏电流I4（Gate Tunneling）漏电流漏电流leakgeDDleakPVICMOS工艺的发展与功耗的变化工艺的发展与功耗的变化TSMC和和BPTM的工艺下晶体管的各种参数的工艺下晶体管的各种参数CMOS工艺的发展与功耗的变化工艺的发展与功耗的变化在不同工艺下的在不同工艺下的MOS管漏电流的组成管漏电流的组成CMOS工艺的发展与功耗的变化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不同电压、不同工艺、不同频率及

5、不同晶体管数目下CMOS电路的功耗实例（源自电路的功耗实例（源自Intel）SoC中的主要功耗中的主要功耗两个典型的两个典型的SoC系统中的功耗组成系统中的功耗组成SoC中的主要功耗中的主要功耗ARM946-S中系统功耗的组成部分中系统功耗的组成部分内容大纲内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势低功耗反馈的前向设计方法低功耗反馈的前向设计方法各层次优化方法及优化效果各层次优化方法及优化效果内容大纲内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗

6、的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势工艺优化工艺优化多阈值工艺（多阈值工艺（Multi-Vt Design）方法）方法电源门控（电源门控（Power Gating）方法）方法工艺优化工艺优化多阈值工艺多阈值工艺阈值与漏电流的关系阈值与漏电流的关系工艺优化工艺优化多阈值工艺多阈值工艺一种使用多阈值工艺的设计流程一种使用多阈值工艺的设计流程工艺优化工艺优化电源门控方法电源门控方法电源闸门方法电源闸门方法电压优化电压优化体偏置（体偏置（Body Bias）多电压（多电压（Multi-Voltage Scaling）电压优化

7、电压优化体偏置体偏置用于体偏置的三阱结构用于体偏置的三阱结构MOS管管电压优化电压优化多电压多电压多电压设计多电压设计门控时钟技术门控时钟技术预计算预计算门控时钟门控时钟门控时钟技术门控时钟技术预计算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时将输入释放或屏蔽简单的停时钟电路简单的停时钟电路门控时钟技术门控时钟技术门控时钟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停时钟电路简单的门控电路产生时钟毛刺简单的门控电路产生时钟毛刺门控时钟技术门控时钟技术门控时钟门

8、控时钟使用锁存器停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带锁存器的停时钟单元工作波形图门控时钟的门控时钟的RTL代码代码always (CLK or CLK_EN)if (!CLK)CLK_TEMP = CLK_EN；assign GCLK = CLK & CLK_TEMP；门控时钟的可测性设计门控时钟的可测性设计测试模式下门控时钟单元被旁路测试模式下门控时钟单元被旁路门控时钟的时钟树设计门控时钟的时钟树设计在时钟树的根处停在时钟树的根处停GCLK门级优化技术门级优化技术毛刺的消除毛刺的消除逻辑级优化逻辑级优化物理级优化物理级优化控制输入向量控制输入向量门级优化技术门级优化

9、技术毛刺的消除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前的电路消除毛刺后的电路消除毛刺后的电路门级优化技术门级优化技术逻辑级优化逻辑级优化调整门的大小调整门的大小引脚的重分配引脚的重分配重排序操作重排序操作重新映射重新映射门级优化技术门级优化技术物理级优化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低系统的功耗物理级优化主要有以下几种方法：物理级优化主要有以下几种方

10、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门级优化技术控制输入向量控制输入向量不同的输入向量条件下漏电流差别不同的输入向量条件下漏电流差别门级优化技术门级优化技术控制输入向量控制输入向量控制输入向量的方法控制输入向量的方法低功耗低功耗SoC系统的动态管理系统的动态管理动态电压及频率调节技术动态电压及频率调节技术低功耗操作系统低功耗操作系统存储器功耗控制存储器功耗控制动态电压及频率调节技术动态电压及频率调节技术动态电压及动态频率调节动态电压及动态频率调节(DVFS，Dynamic

11、 Voltage and Dynamic Frequency Scaling)技术是一种通过将不同电路模块的工作技术是一种通过将不同电路模块的工作电压及工作频率调低到恰好满足系统最低要求，来电压及工作频率调低到恰好满足系统最低要求，来实时降低系统中不同电路模块功耗的方法实时降低系统中不同电路模块功耗的方法该技术基于这样一种观察结果，即电路模块中的最该技术基于这样一种观察结果，即电路模块中的最大时钟频率和电压是紧密相关的大时钟频率和电压是紧密相关的低功耗操作系统低功耗操作系统加入了功耗管理机制的操作系统加入了功耗管理机制的操作系统存储器功耗控制存储器功耗控制存储器单元的优化，包括减小漏电流，如双

12、阈值的存储器单元的优化，包括减小漏电流，如双阈值的SRAM单元、门控电源的单元、门控电源的SRAM单元或者门控接单元或者门控接地的地的SRAM单元等，使用功耗可控的单元等，使用功耗可控的DRAM分层的存储器，将一大块存储器划分为几个单独时分层的存储器，将一大块存储器划分为几个单独时钟和电压可控的小段，使用小段，每一个存储器段钟和电压可控的小段，使用小段，每一个存储器段都工作在不同的功耗模式下都工作在不同的功耗模式下存储器管理使用多种功耗状态存储器管理使用多种功耗状态低功耗低功耗SoC设计技术的综合考虑设计技术的综合考虑低功耗技术对功耗与设计复杂度的影响低功耗技术对功耗与设计复杂度的影响内容大纲

13、内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势功耗度量功耗度量峰值功耗：系统所能达到的功耗的最大值，主要用峰值功耗：系统所能达到的功耗的最大值，主要用来调整电源线的宽度和噪音的容限来调整电源线的宽度和噪音的容限平均功耗：系统在运行过程中的平均功耗，主要用平均功耗：系统在运行过程中的平均功耗，主要用来选择封装方式、冷却装置和电池寿命等来选择封装方式、冷却装置和电池寿命等RMS（平方根法）：用来决定电子迁移的规则（平方根法）：用来决定电子迁移的规则电路设计中功耗的估计和

14、方针电路设计中功耗的估计和方针综合后的功耗估计：一种动态的功耗仿真方式，与综合后的功耗估计：一种动态的功耗仿真方式，与具体的向量相关的，具有很高的精度，但是需要较具体的向量相关的，具有很高的精度，但是需要较长的时间，主要包括长的时间，主要包括RTL级的估计、门级的估计和级的估计、门级的估计和晶体管级的估计，需要精确的功耗模型晶体管级的估计，需要精确的功耗模型直接仿真：基于时钟周期的功耗仿真方式直接仿真：基于时钟周期的功耗仿真方式概率仿真：通过估计信号的转换概率进行功耗的仿概率仿真：通过估计信号的转换概率进行功耗的仿真真统计仿真：基于统计仿真：基于Monte Carlo的仿真方式的仿真方式业界流行的功耗估计工具及其特点业界流行的功耗估计工具及其特点内容大纲内容大纲为什么需要低功耗设计为什么需要低功耗设计功耗的类型功耗的类型低功耗设计方法低功耗设计方法低功耗技术低功耗技术低功耗分析和工具低功耗分析和工具低功耗设计趋势低功耗设计趋势低功耗设计趋势低功耗设计趋势系统层次上的低功耗设计系统层次上的低功耗设计测试电路的低功耗设计测试电路的低功耗设计异步电路设计技术异步电路设计技术内存的低功耗设计内存的低功耗设计系统层次上的低功耗设计系统层次上的低功耗设计静态功耗优化