东南大学soc课件12-低功耗设计(3学时)..ppt

1、1、SoC低功耗设计、2、目录、功耗基本原理门控时钟技术(Clock Gating)多电压域技术(Multi-Voltage)电源门控制技术(Power-Gating)低功耗技术SEP 00动态由于生成的功率静态功率泄漏电流的存在，在晶体管无法通过的情况下，电路本身会留下小电流，称为功耗，3，反转功率，电源对负载充电电流和负载对接地放电电流产生的动态功耗，如果逆变输入从1更改为0，则PMOS将通过NMOS，PMOS输入从1变更为0时，NMOS会传送PMOS，输出从1变更为0，负载会执行接地放电作业。4，短路功耗，输入信号发生变化时，除负载的充电放电电流外，还会产生短路电流。当输入电压达到特定值

2、时，PMOS和NMOS在短时间内同时通电，从而产生短路功耗。这是因为发生了从电源供应装置到地面附近有短路的导电通道。(威廉莎士比亚，windows，传记，传记，传记，传记，传记)在很短的时间内，比较大的瞬时开路电流通过了两个晶体管。晶体管的阈值电压低或运行速度慢会导致更多的内部功耗。5，静态功耗，在早期CMOS电路中，泄漏电流可以忽略，但是随着筹码进程大小的减小和阈值电压的降低，内部功耗正在显着增加。在65纳米以下的工序中，静态功耗占筹码总功耗的30%到50%。静态功耗主要包括反向偏移的PN结二极管电流、次阈值电流、栅极感应泄漏电流和栅极泄漏电流引起的功耗。6，静态功耗，子阈值电流：当栅极输入

3、电压小于阈值电压时，由子阈值传导产生的静态电流。在牙齿的情况下，设备在弱反型区域工作，电流从泄漏流向源极。牙齿电流称为子阈值电流。在早期技术中，可以忽略子阈值电流。但是在低电源和阈值电压下，网格电压接近设备的阈值电压。子临界电流呈指数增长。7，栅极电流：随着工艺尺寸的减小，栅极氧化物层的厚度减小，在栅极电压VGS的影响下，产生通过栅极氧化物层直接流向基板，即栅极电流的栅极电流。有两个茄子主要原因：一是栅氧化层两端PN结的隧道效应；第二，热电子注入效果。8，栅极泄漏电流：在设备栅极泄漏之间的半偏压VGS较高的情况下，栅极泄漏之间形成了强电场，在栅极附近牙齿形成高浓度P型区域(在NMOS管道中)，

4、并产生从漏至衬里的栅极泄漏电流。9，源漏区半偏置二极管电流：逆偏置pn结漏电流始终存在于CMOS电路中。从NMOS管的N型泄漏到P型内衬，从N井到P型泄漏，PMOS管有相对较小的泄漏电流。当晶体管打开时，不管时钟频率或开关频率如何，这些泄漏电流都存在。降低时钟信号频率或关闭时钟频率不会降低。但是，通过降低电源电压或完全切断晶体管的电源，可以减少或消除泄漏电流。10，11，目录，电源基本原理门控多电压域技术(Multi-Voltage)电源门控技术(Power-Gating)低功耗技术应用于SEP0611在现代数字集成电路设计中，时钟信号作为数据传输的基准通常，时钟信号具有高扇出、高频率、长路径

5、的特征。在高端SoC系统中，由于时钟频率超过1GHz，因此在时钟树中消耗的功耗大约占系统总功耗的30%到40%。时钟信号连接寄存器和锁等定时设备，因此这些定时设备也消耗了不可忽视的动态功耗。门控制时钟技术是降低现有动态功耗的技术，广泛应用于现代数字集成电路设计。也就是说，控制信号控制时钟的打开和关闭，模块不工作时关闭时钟，需要操作时打开时钟。因此，通过降低触发器的总翻转率，达到降低功耗的目的，既简单又有效。12，栅时钟技术广泛应用于现代数字集成电路设计。结构简单，可以应用于标准化过程。基本上是所有商业EDA工具(例如，Synopsys Inc的综合工具Design Complier，Seque

6、nce Design的PA)。Cadence的SoC Encounter工具支持自动插入门控制时钟设备，调整时钟树网络以解决门控制时钟设备产生的时钟偏移和延迟。13，左图为现有选择器设计，控制当通过能量信号EN发出时钟信号时，寄存器采样新值D是否保持原始值Q。右图设计用于应用栅极时钟技术，通过用EN信号控制时钟信号的开关，在EN信号无效的情况下，寄存器的时钟保持值，而D侧值不传递到Q侧。14，在逻辑合成过程中，在RTL代码中插入语句控制时钟通过确定寄存器集是否共享确定有效时钟到来时寄存器是否可以读取新值的功能信号来实现。传统方法可以使用牙齿孔刘信号控制连接到寄存器D侧的选择器，也可以连接到具有

7、寄存器的时钟，以便使用时钟。如果使用门控时钟技术，集成工具将找到这些通用控制信号，并使用它们来控制时钟门控设备。因此，如果一组寄存器共享门控制时钟设备，则当信号失效时，牙齿寄存器集很少消耗动态功耗。当然，时钟门控设备会消耗部分功耗。15，3位柜台，模块柜台(clk，rst _ n，Inc，count)input clk；input RST _ N；Input INC输出2:0计数；Reg 2:0 COUNTAlways (posedgeclk或negedge rst _ n)begin if(rst _ n)count=# 1 3 B0；else if(INC)COUNT=# 1 COUNT

8、1；End endmodule，16，计数器具有异步重置信号RST_N牙齿。RST_N牙齿降低时重置柜台(0)，在正常计数时将RST_N设置为高。此时，在INC信号较高的情况下，计数值将分别使用传统的选择器集成方法综合结果。在牙齿点，时钟信号直接连接到每个寄存器的时钟端。也就是说，INC信号低。也就是说，当寄存器的输出值通过选择器返回到寄存器的D侧(数据输入)时，时钟侧信号继续跳跃。17，由门控制时钟技术实现的相同电路(3位数柜台)。两个电路非常相似，但后者在时钟网络中添加了时钟门控设备。只有当INC信号为高时钟时，时钟信号才能通过时钟门控设备到达寄存器的时钟。INC信号较低时，寄存器没有时钟

9、反转，因此保持原始值，就像现有设计一样。这样可以从现有设计中删除寄存器前面的三个茄子选择器，并在多个寄存器实现中大大减少面积。18、典型的时钟门控制单元分为两种茄子类型：锁定内存类型(Latch-based)和解锁内存类型(Latch-free)。解锁内存类型只需要“AND Gate(门)”或“OR Gate(门)”。门或门取决于寄存器是由上升边触发还是由下降触发。应用牙齿结构的时钟门控制装置时，应确保时钟信号的比特变换时信号不会中断。或者，毛刺、19、锁定存储器类型的时钟门控制装置添加了水平敏感的锁定装置，用于保持从时钟的触发边缘到比特边缘的信号。信号定时的特殊要求，20，21，没有目录。功

10、耗基本原理门控多电压域技术电源门控技术在SEP0611中应用低功耗前沿技术，芯片的动态功耗与电压值的平方成正比。多电压域技术将根据筹码功能和应用要求由电源管理模块独立提供的徐璐不同逻辑模块徐璐放置在不同电压域中，从而使徐璐不同的逻辑模块可以在徐璐不同的电压下工作。例如，某些在一段时间内性能要求不高的模块可能在低压域中，性能要求高的模块的电源电压可能相应地高，多电压域技术是动态电压频率比例曹征(dvfs)、静态电压比例曹征(static voltage and frequency scaling)，22芯片上的每个模块在不同的电压下工作，以满足不同电压下的计时要求，并增加静态计时分析(STA)的

11、复杂性。电源网格布局规划、模块介面单元的电源布线等变得更加复杂。在板级，需要更多的电压调节器来提供各种电压，增加板级设计的复杂性。由于不同模块的电压不同，因此模块之间的传记/带电顺序也必须仔细设计，以避免电路死锁。23，信号从低电平电压区域进入高电平电压区域时，PMOS电晶体门的加压过低，逻辑门不能完全关闭，使用电平转换器可以防止在这种情况下发生异常漏电电流。第二，由于信号必须徐璐在其他电压区域反转，因此电平转换器可以正确地反转这些信号线的时间和延迟计算，从而获得正确的计时信息。电平转换器属于模拟电路，由于模拟电路设计问题，从单向、高到低或从低到高。24，高电平转换为低电平时，高电平不要超过低

12、电平平均电压的25%。因为电压太高可能导致计时问题。高电平移位器可以用逆变器或缓冲器实现。典型的高-低水平转换器如图所示。电平转换器放置在低压区域，其晶格可以有一定的输入超压，输出转换为低电平。25、低级转换器通常是专用转换设备。低电平电路的输入信号不足以驱动高电平电路的NMOS管，因此电路的上升时间和下降时间延长，电路速度减慢。简单的低-高电平转换器通过输入和输入半信号驱动放大器，如图所示。26，27，目录，电源基本原理门控多电压域技术电源门控低功耗技术(SEP0611)对于手机等手持移动设备的SoC芯片，休眠模式下泄漏电流功耗的大小是设计者在设计时需要考虑的设计因素。在休眠模式下，希望最大

13、限度地降低功耗的设计中，最好关闭处于休眠模式的模块的电源，保持其他模块的正常电源。这称为电源闸控技术。电源门控技术与时钟门控技术相比降低了电路的动态功耗，而电源门控技术不仅减少了动态功耗，还减少了静态功耗。时钟门控技术不影响设计电路的功能，不需要修改注册传输级别(RTL)代码。在设计和实施中，对设计师透明。电源闸控技术会影响模块之间的互连，安全进入和退出电源闸控模式会增加很多额外工作。28，电源门控通常通过两种茄子方法实现：外部电源门控。实施电源闸控的最基本方法是漏电功耗低，但阻塞时间长的设计。例如，SoC系统在板极有专用于CPU的电源供应设备，而牙齿电源供应设备仅提供CPU的电压。外部电源闸

14、控技术可以关闭牙齿，在CPU不活动的情况下将漏电功率降低到0。但是，牙齿方法还需要最长的时间来为电源闸控模块供电和重新加载数据。内部电源闸控(on-chip power gating)。内部电源门控是指在筹码内使用特殊的逻辑设备(例如电源门控设备)控制选定模块的电源供应设备。29、外部电源门控技术和内部电源门控技术都可以达到在电压区切断电压以最小化漏电功耗的目的，但是在物理实现中，内部电源门控技术要复杂得多。内部电源门控技术有两种茄子实现方法，每种方法均使用徐璐的不同电源门控设备(粗颗粒型和细粒型电源门控设备)。30，精细电源供应设备门控制单元是在构成过程库中每个标准单元结构的电源/支撑和逻辑

15、的电晶体之间插入栅极晶体管，从而切断电路的漏电电流。插入的晶体管在所有情况下都必须提供牙齿设备所需的电流，通常宽度很大，以免影响设计性能。因此，使用精密门控设备的电源门控设计，不仅可以大大增加筹码面积，减少布线资源，还可以在一定程度上增加影响电路性能的延迟。长宽比太小会影响系统的抗噪音性能，降低系统可靠性，电路可能无法正常工作。当然，细致的电源闸控装置也有优点。每个单元的模拟性能都很好，包括对直流压降的影响和对时序的影响。这是因为它们都集成到同一个标准单元中，可以按传统方式实现电源闸控物理设计。如左图所示，是详细的电源门控制单元的结构图。31，粗糙电源供应装置门控制装置使用门控制装置控制整行或多行标准单元电路与电源/接地之间的连接，以减少每个单元