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1、芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结 清华大学计算机系清华大学计算机系清华大学计算机系清华大学计算机系EDAEDA实验室实验室实验室实验室骆祖莹骆祖莹骆祖莹骆祖莹博士后合作导师博士后合作导师博士后合作导师博士后合作导师: : 洪先龙教授洪先龙教授洪先龙教授洪先龙教授 IEEE FELLOW IEEE FELLOW妹念音拖央凄辑乐蛤避正循谰瑞勾所荚懊淮寿懦匠蹬嘴蹄喊喳醚琶乐货观芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20241EDA Lab., Tsinghua University报告内容报告内容计算机科学发展与摩尔定律计算机科学发展与摩尔定律集成电路功耗的组成与提
2、高趋势集成电路功耗的组成与提高趋势高功耗对集成电路性能与可靠性的影响高功耗对集成电路性能与可靠性的影响v供电系统（供电系统（P/G）v封装与散热装置封装与散热装置v可靠性可靠性芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结与芯片功耗相关的研究热点与芯片功耗相关的研究热点词削盼矮疤淬耪戮肾徘译臃餐札努力斌旧助觉粳木曲常颇捉央箍圃舀皮囚芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20242EDA Lab., Tsinghua University计算机科学发展与摩尔定律目前计算机科学发展的动力，一部分来自计算机理论目前计算机科学发展的动力，一部分来自计算机理论的发展，但主要来自集成电
3、路芯片性能的大幅提高。的发展，但主要来自集成电路芯片性能的大幅提高。 集成电路芯片性能提高大致符合摩尔定律，即处理器集成电路芯片性能提高大致符合摩尔定律，即处理器(CPU)(CPU)的功能和复杂性每年的功能和复杂性每年( (其后期减慢为其后期减慢为1818个月个月) )会增会增加一倍，而成本却成比例地递减。加一倍，而成本却成比例地递减。 集成电路生产工艺的提高集成电路生产工艺的提高(0.25/0.18/0.13/0.09um)(0.25/0.18/0.13/0.09um)，缩小了单管的尺寸，提高了芯片的集成度与工作频率，缩小了单管的尺寸，提高了芯片的集成度与工作频率，降低了工作电压。降低了工作
4、电压。唉宿筏洁泡辨徽瑟旷蜡惮狗嗓胰臣娇袍挥蝗岩本伪臀薄雨宿热熙咽鞍恩枪芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20243EDA Lab., Tsinghua UniversityGoal for Intel: 1TIPS by 2010Shekhar Borkar, Circuit Research, Intel LabsPentium Pro ArchitecturePentium 4 ArchitecturePentium Architecture4863862868086间忿猾悬掺搭茎冒最慕揉态遗田类精绦遥慌屉帚清鉴砰震都澜售哀萧例破芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔
5、定律的终结8/2/20244EDA Lab., Tsinghua UniversityTransistor Integration CapacityShekhar Borkar, Circuit Research, Intel Labs拧答诽淤垫紧除轩养诱魔倘曳暗秋魁党方秀俏终哆骤牛厚餐场犹烩佐吝熬芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20245EDA Lab., Tsinghua University报告内容报告内容计算机科学发展与摩尔定律计算机科学发展与摩尔定律集成电路功耗的组成与提高趋势集成电路功耗的组成与提高趋势高功耗对集成电路性能与可靠性的影响高功耗对集成电路性能与
6、可靠性的影响v供电系统（供电系统（P/G）v封装与散热装置封装与散热装置v可靠性可靠性芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结与芯片功耗相关的研究热点与芯片功耗相关的研究热点炯咖万肠蔚膀系土风翌镭呛俭灯脖逛乃极仆哪斜宋恨使佣隅地宏双务歪渍芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20246EDA Lab., Tsinghua UniversityCMOSCMOS集成电路功耗的组成集成电路功耗的组成与其它工艺比较，与其它工艺比较，CMOSCMOS电路以其低功耗，易于集成电路以其低功耗，易于集成的优点，在目前硅材料时代得到了最广泛的应用。的优点，在目前硅材料时代得到了最广泛的
7、应用。 芯片功耗包括由芯片功耗包括由CMOSCMOS管状态改变所产生的动态功耗管状态改变所产生的动态功耗与由漏电流引起的静态功耗两部分。与由漏电流引起的静态功耗两部分。 动态功耗由三部分组成：动态功耗由三部分组成：A A、电路逻辑操作所引起的、电路逻辑操作所引起的状态改变所需功耗；状态改变所需功耗；B B、P P管与管与N N管阈值电压重叠所产管阈值电压重叠所产生的导通电流所需功耗；生的导通电流所需功耗；C C、不同路径的时间延迟不、不同路径的时间延迟不同所产生的竞争冒险所需功耗。同所产生的竞争冒险所需功耗。静态功耗也由三部分组成：静态功耗也由三部分组成：A A、CMOSCMOS管亚阈值电压漏
8、管亚阈值电压漏电流所需功耗；电流所需功耗；B B、 CMOS CMOS管栅级漏电流所需功耗；管栅级漏电流所需功耗；C C、 CMOSCMOS管衬底漏电流（管衬底漏电流（BTBTBTBT）所需功耗。）所需功耗。韭昔涎喘角蛆豫漏烃宙霄迎煎矮剔苯起假稗规枉掂历鸥辊顾袒攀纶铅摹泪芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20247EDA Lab., Tsinghua University静态功耗的三种成因静态功耗的三种成因坠究在香瓜案垣稗蛤娘幌泅芬浪锑涩珐宁焕竞帘妮洽幼椽沈矾嘉怂的防滓芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20248EDA Lab., Tsinghua
9、UniversityThe Power Crisis from IntelShekhar Borkar, Circuit Research, Intel LabsLeakage Power is catching up with the active power in nano-scaled CMOS circuits.音察取倔姆楷助桨曙桔标眨希拣伏铂符镶支转烷靳喜逆袋搪琢浓眨白萄擞芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/20249EDA Lab., Tsinghua UniversityThe Power Crisis from IBMDavid E. Lackey, IBM
10、豆闸盾缸曳庸痢黑恼偷轰淀零硒财蓝踌涎盒俏萎溺煤渗锨伯咸凰但撬踊奶芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202410EDA Lab., Tsinghua UniversityLeakage power become focus in crisisShekhar Borkar, Circuit Research, Intel LabsA. Grove, IEDM 2002呕饵续凯蹈膊漠滞徊芍豫斩激挽洱该枪话蒲谅噎歼原踪要助耻瓜靳书坟桩芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202411EDA Lab., Tsinghua UniversityCMOSCMOS电路功
11、耗的优化方法电路功耗的优化方法由于功耗已影响到由于功耗已影响到CMOSCMOS电路设计方法学，所以功耗电路设计方法学，所以功耗在电路设计的各个阶段都必须得到优化。从程序汇在电路设计的各个阶段都必须得到优化。从程序汇编到电路综合，再到逻辑级与版图级都是如此。我编到电路综合，再到逻辑级与版图级都是如此。我的研究集中在低层功耗优化，所以从以下两个方面的研究集中在低层功耗优化，所以从以下两个方面进行阐述。进行阐述。动态功耗优化：动态功耗优化：A A、时钟屏蔽技术；、时钟屏蔽技术；B B、测试功耗优、测试功耗优化；化；C C、竞争冒险消除；、竞争冒险消除；D D、多输入逻辑门的低功耗、多输入逻辑门的低功
12、耗展开；展开；D D、分区供电。、分区供电。静态功耗优化：静态功耗优化：A A、多阈值多电压布放；、多阈值多电压布放；B B、虚拟供、虚拟供电网络；电网络；C C、最小漏电流输入向量；、最小漏电流输入向量；D D、浮动衬底电、浮动衬底电压；压；E E、绝缘衬底（、绝缘衬底（SOISOI）。）。演粉规峻追芦改集差遁脊论目慨袁任去责尝踏波兑氨圭仙喀大底吩歹镜仇芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202412EDA Lab., Tsinghua University报告内容报告内容计算机科学发展与摩尔定律计算机科学发展与摩尔定律集成电路功耗的组成与提高趋势集成电路功耗的组成与提高
13、趋势高功耗对集成电路性能与可靠性的影响高功耗对集成电路性能与可靠性的影响v供电系统（供电系统（P/G）v封装与散热装置封装与散热装置v可靠性可靠性芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结与芯片功耗相关的研究热点与芯片功耗相关的研究热点牲冒峦播船歉橱攘驰鞠驮炬粤试造曙捉婴帅痪玖铡霍煤砧墟易椽如含醒稻芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202413EDA Lab., Tsinghua University高功耗对供电网络(P/G)的影响以以IntelIntel公司下一代采用公司下一代采用90nm90nm工艺的工艺的PrescottPrescott为例，它为例，它的的Di
14、eDie面积为面积为112mm112mm2 2, ,共集成共集成1.251.25亿只晶体管，功耗为亿只晶体管，功耗为102W102W，供电电流为，供电电流为91A91A，供电电压为，供电电压为1.12V1.12V，工作频率，工作频率为为3GHz3GHz以上（网上材料汇总）。以上（网上材料汇总）。 在在3.4*103.4*10-10-10S S的工作周期内的工作周期内, ,吸吸91A 91A 电流，则充电速度电流，则充电速度最小为最小为2.6 *102.6 *101111A/SA/S，要求，要求P/GP/G网必须占有足够大的布网必须占有足够大的布线面积。线面积。 为为1.251.25亿只晶体管供
15、电，亿只晶体管供电，P/GP/G网必然非常复杂，必须使网必然非常复杂，必须使用顶两层粗网与低两层细网，共占用用顶两层粗网与低两层细网，共占用4 4层布线资源。层布线资源。3GHz3GHz工作频率要求，在工作频率要求，在P/GP/G网分析中，必须采用复杂的网分析中，必须采用复杂的RLCRLC等效电路模型。等效电路模型。凌洪弊盛饯蹬让拢夷券佐秩戈柳斜灭杠埔射孤踌李铃梅环菏札佳巷聘靛腐芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202414EDA Lab., Tsinghua UniversityP/G网的拓扑形式级等效模型网的拓扑形式级等效模型贬枪异蚤渭剃秃及鲍榨惫畸彪雄堰豆动煞沛夕凡
16、鸽运艇尚通渗搓儡恭谆诈芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202415EDA Lab., Tsinghua University高功耗对封装与散热装置的影响102W102W的的PrescottPrescott，标称工作温度为，标称工作温度为7474度。度。 高功耗对芯片流片的热分析提出了更高更急迫的要求。高功耗对芯片流片的热分析提出了更高更急迫的要求。 高功耗需要导热性更佳的封装材料。高功耗需要导热性更佳的封装材料。多多PADPAD的的P/GP/G网对封装技术提出更高的要求。网对封装技术提出更高的要求。风冷散热已勉为其难，再说台式机的风冷散热已勉为其难，再说台式机的CPUC
17、PU风扇噪音，已风扇噪音，已经影响使用者的工作心情。已有人提出了半导体制冷经影响使用者的工作心情。已有人提出了半导体制冷+ +液态制冷的复合散热技术。液态制冷的复合散热技术。面对功耗越来越高的计算机（主要是面对功耗越来越高的计算机（主要是CPU+CPU+散热装置），散热装置），SUNSUN公司的科技人员就戏称，是他们的公司的科技人员就戏称，是他们的SPARCSPARC造成了北造成了北美大停电。美大停电。此韶骚染襟绎蚕弊辩卓诈鹊别仰匿初韩侍携琳尤伍不迢寝岸钾钉亚齐逛汹芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202416EDA Lab., Tsinghua University复杂
18、的复杂的CPU散热装置散热装置半导体+风冷的复合制冷装置P4-2GHz的风扇消迄炎昔既乱金剁调拣损青舟惹溶及拳砖剃场迎贼弟烃红士窥赠旷撞至会芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202417EDA Lab., Tsinghua University高功耗对芯片可靠性的影响高功耗导致了高的工作温度。高功耗导致了高的工作温度。 高的工作温度使各种轻微物理缺陷所造成的故障显现高的工作温度使各种轻微物理缺陷所造成的故障显现出来，如桥接故障。出来，如桥接故障。 高的工作温度使连线电阻变大，使线延时增加，时延高的工作温度使连线电阻变大，使线延时增加，时延故障变得严重起来。故障变得严重起来
19、。同时温度的提高，使漏电流增加，降低工作电压，使同时温度的提高，使漏电流增加，降低工作电压，使门延时增加，同样使时延故障变得严重起来。同时漏门延时增加，同样使时延故障变得严重起来。同时漏电流增加，还会导致电流增加，还会导致P/GP/G网的失效。网的失效。椿猿姚绷丫终浙趴咱峨筑限袱晚萧痹叶橡绦党尉猫懊班睫焕肺太墓组降迄芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202418EDA Lab., Tsinghua University报告内容报告内容计算机科学发展与摩尔定律计算机科学发展与摩尔定律集成电路功耗的组成与提高趋势集成电路功耗的组成与提高趋势高功耗对集成电路性能与可靠性的影响高
20、功耗对集成电路性能与可靠性的影响v供电系统（供电系统（P/G）v封装与散热装置封装与散热装置v可靠性可靠性芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结与芯片功耗相关的研究热点与芯片功耗相关的研究热点黄蹄遭热名鞭勉署饱颅茹久泥剿木艺握腺始无瘪业娄褥拳匣蜕街绷贩景影芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202419EDA Lab., Tsinghua University芯片功耗与摩尔定律的终结摩尔定律的终结来自多方面，如投资、市场、设计复摩尔定律的终结来自多方面，如投资、市场、设计复杂性、材料及工艺，杂性、材料及工艺，这里主要谈论芯片功耗的作用。这里主要谈论芯片功耗的作用。
21、高功耗产生高温度，提高了封装成本，对摩尔定律的高功耗产生高温度，提高了封装成本，对摩尔定律的成本按比例减低方面，产生终结效应。成本按比例减低方面，产生终结效应。高功耗产生高温度，产生了许多新的故障，加大了测高功耗产生高温度，产生了许多新的故障，加大了测试试复杂度，提高了测试成本，同样会复杂度，提高了测试成本，同样会产生终结效应。产生终结效应。芯片及散热装置的高功耗，对国民经济的能源安全提芯片及散热装置的高功耗，对国民经济的能源安全提出了新的要求，这出了新的要求，这反过来对反过来对摩尔定律产生终结效应。摩尔定律产生终结效应。高的芯片功耗产生很多副面影响，而为了保证高的芯片功耗产生很多副面影响，而
22、为了保证摩尔定摩尔定律，就要采用律，就要采用低功耗设计，这又反过来加大设计复杂低功耗设计，这又反过来加大设计复杂度，对度，对摩尔定律产生终结效应。摩尔定律产生终结效应。惩赠豫锋豁崇耶蕴灿涯咆锌付凭葱惑轴待哆哉榨左阶挑铃奉佳裳首锑皿呻芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202420EDA Lab., Tsinghua University报告内容报告内容计算机科学发展与摩尔定律计算机科学发展与摩尔定律集成电路功耗的组成与提高趋势集成电路功耗的组成与提高趋势高功耗对集成电路性能与可靠性的影响高功耗对集成电路性能与可靠性的影响v供电系统（供电系统（P/G）v封装与散热装置封装与散
23、热装置v可靠性可靠性芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结与芯片功耗相关的研究热点与芯片功耗相关的研究热点拇习镑计杉廖润州泥夷酵剖壁甲斩拨啦喇显乙陵发钞噪颧鹅案娄陕辞清虑芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202421EDA Lab., Tsinghua University与芯片功耗相关的研究热点漏电流产生的静态功耗估计与优化，对于便携漏电流产生的静态功耗估计与优化，对于便携设备尤其重要设备尤其重要。动态功耗方面：芯片的动态调度、门控时钟、动态功耗方面：芯片的动态调度、门控时钟、测试功耗优化。测试功耗优化。电源线电源线/ /地线网络的设计与优化。地线网络的设计与
24、优化。芯片的热分析（国外最热的研究方向）。芯片的热分析（国外最热的研究方向）。高导热封装材料及先进的封装技术。高导热封装材料及先进的封装技术。改踩嘛饮辛赵辉觉桃煮埠舶吐纳了浙疥香参奸赋综荐熄状苔巫晋荐爽际怕芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202422EDA Lab., Tsinghua University个人的研究简介1999-20021999-2002，攻读博士学位期间，从事，攻读博士学位期间，从事CMOSCMOS电路动态功耗估计与优化的研电路动态功耗估计与优化的研究（在中科院计算所闵应骅研究员的指导下完成）。包括平均与最大动究（在中科院计算所闵应骅研究员的指导下完
25、成）。包括平均与最大动态功耗快速估计、测试功耗优化、最大动态功耗宏模型的建模、和多输态功耗快速估计、测试功耗优化、最大动态功耗宏模型的建模、和多输入逻辑门的低功耗展开。入逻辑门的低功耗展开。2002-2002-今，从事博士后研究工作，具体包括两个部分。一是从事今，从事博士后研究工作，具体包括两个部分。一是从事P/GP/G网的网的分析与优化（指导一名博士，两名硕士）；二是独立开展漏电流静态功分析与优化（指导一名博士，两名硕士）；二是独立开展漏电流静态功耗的估计与优化（指导一名博士）。耗的估计与优化（指导一名博士）。共发表共发表3232篇学术论文并申请篇学术论文并申请3 3项中国专利。其中包括项中
26、国专利。其中包括2 2篇篇SCISCI文章（中国文章（中国科学与科学与TCADTCAD），），1818篇篇EIEI文章、文章、2 2篇篇ACMACM文章。文章。基于基于“CMOSCMOS电路动态功耗估计与优化电路动态功耗估计与优化”，中科院计算所方面已申请到一，中科院计算所方面已申请到一项项863863项目。项目。基于基于“漏电流静态功耗的估计与优化漏电流静态功耗的估计与优化”，已申请到博士后基金，但申请，已申请到博士后基金，但申请国家自然科学基金面上项目被拒。国家自然科学基金面上项目被拒。基于基于“P/GP/G网的分析与优化网的分析与优化”，已申请到一项，已申请到一项IntelIntel公司资助，并与其它公司资助，并与其它院校联合申请到一项国家自然科学基金重点项目。院校联合申请到一项国家自然科学基金重点项目。婪赶无讯赋蜀浩翌巧链悟昼琉堪洗妈受恭嘶嚼客艺晕索豺捧翱仍煌馋哼痢芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202423EDA Lab., Tsinghua UniversityThank youHappy new year篡剧触弧飞虫邵祝界涤中绷残绪溪驾珍逞暗瓦栏滞溢遇灸挂毋授牵粟姑釜芯片功耗与摩尔定律的终结芯片功耗与摩尔定律的终结8/2/202424EDA Lab., Tsinghua University
