SoC设计11-低功耗

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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对系统的影响系统可靠性系统性能系统生产及封

2、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动态功耗动态功

3、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静态功耗静态功耗在在CMOS电电路路中中静静态态功功耗耗主主要要是是由由漏漏电电流流引引起起的的功功耗耗。漏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-threshold 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CMOS工艺的发展与功耗的变化工艺的发展与功耗的变

4、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

5、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

6、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预计计算算是是指指通通过过判判断断输输入入向向量量在在满满足足一一些些特特定定条

7、条件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；

8、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技术毛刺的消除毛刺的消除这这里里的的毛毛刺刺是是指指由由于于电电路路中中信信号号的的传传输输延延迟迟引引起起的的不必要的翻转，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

9、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物理理级级优优化化主主要要通通过过减减少少翻翻转转和和减减少少负负载载电电容容来来降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

10、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动态态电电压压及及动动态态频频率率调调节节(DVFS，Dynamic Voltage and Dynamic Frequency Scaling)技技术术是是一一种种通通过过将将不不同同电电路路模模块块的的工工作作电电压压及及工工作作频频率率调调低低到到恰恰好好满满足足系系统统最最低低要要求求，来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

11、耗的方法该该技技术术基基于于这这样样一一种种观观察察结结果果，即即电电路路模模块块中中的的最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存储储器器单单元元的的优优化化，包包括括减减小小漏漏电电流流，如如双双阈阈值值的的SRAM单单元元、门门控控电电源源的的SRAM单单元元或或者者门门控控接接地的地的SRAM单元等，使用功耗可控的单元等，使用功耗可控的DRAM分分层层的的存存储储器器，将将一一大大块块存存储储器器划划分分为为几几个个单单独独时时钟钟和和电电压压可可控控的

12、的小小段段，使使用用小小段段，每每一一个个存存储储器器段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峰值值功功耗耗：系系统统所所能能达达到到的的功功耗耗的的最最大大值值，主主要要用用来调整电源线的宽度和噪音的容限来调整

13、电源线的宽度和噪音的容限平平均均功功耗耗：系系统统在在运运行行过过程程中中的的平平均均功功耗耗，主主要要用用来选择封装方式、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

14、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

15、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静态功耗优化在编译时充分考虑指令的功耗特性，合理配置数据段和指令段在内存中的位置，并调整寄存器的分配；提高算法的执行效率；合理实现任务调度，减少由于频繁的上下文切换所造成的功耗动态功耗优化动态功耗优化操作系统支持下的动态功耗管理和动态电压频率缩放前者是指将处于空闲状态或非满负荷运转状态的系统单元有选择的关闭或减慢运行速度。这主要有几种方式：基于超时（Timeout-based）的关闭策略、基于预测的关闭策略和基于Markov链的随机动态功耗管理策略Q&A