（一）低功耗设计目的与功耗的类型
一、低功耗設(shè)計(jì)的目的
1.便攜性設(shè)備等需求
電子產(chǎn)品在我們生活中扮演了極其重要的作用，便攜性的電子設(shè)備便是其中一種。便攜性設(shè)備需要電池供電、需要消耗電池的能量。在同等電能提供下，低功耗設(shè)計(jì)的產(chǎn)品就能夠工作更長的時(shí)間。時(shí)間的就是生命，因此低功耗設(shè)計(jì)是很重要的。便攜性的設(shè)備需要低功耗設(shè)備，比如說手機(jī)，如果充電兩小時(shí)，通話5分鐘，這誰還買你的手機(jī)...
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2.可靠性與性能的影響
設(shè)備消耗電能，會產(chǎn)生熱量；消耗的能量越多，產(chǎn)生的熱量越多。發(fā)熱越嚴(yán)重，熱噪聲越大，就會影響器件的正常工作，導(dǎo)致電路不能正常工作。發(fā)熱量的增加，可能會使工作在1G下的電路，只能工作在500M，這就影響了速度，這最常見的就是手機(jī)的發(fā)熱了，手機(jī)發(fā)熱之后，便感覺卡卡的。
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3.成本的影響
如果不注意進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，那就可能導(dǎo)致后期的成本增加，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的成本增加。例如，不進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，發(fā)熱量就可能增加，在封裝的時(shí)候，就需要考慮怎么給你這個(gè)芯片進(jìn)行散熱，從而增加了封裝的散熱成本。再比如，在進(jìn)行系統(tǒng)組裝的時(shí)候，如果那你的芯片功耗過大，就需要考慮在系統(tǒng)外給你進(jìn)行散熱，比如說添加一個(gè)風(fēng)扇，發(fā)熱很嚴(yán)重的甚至可以給你進(jìn)行液體降溫。這樣子就在系統(tǒng)組裝上面增加了組裝成本。因此在設(shè)計(jì)初始進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)是很重要的。
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當(dāng)然，除了上面那三點(diǎn)之外，還有許多要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)原因，這里列出三點(diǎn)，主要是為了說明低功耗設(shè)計(jì)是以后的數(shù)字IC發(fā)展趨勢之一，我們要注重低功耗設(shè)計(jì)。
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二、功耗的構(gòu)成/類型
本小節(jié)主要一方面介紹一下功耗的構(gòu)成，一方面介紹一下工藝庫中的功耗模型。功耗的構(gòu)成可以從兩個(gè)角度來描述，一個(gè)是從功耗種類方面，另一個(gè)是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面。我們在設(shè)計(jì)過程中，討論比較多的往往是從功耗角度方面；工藝庫中的功耗模型主要是結(jié)合工藝庫來對功耗種類進(jìn)行一些具體的、補(bǔ)充式的講解。下面我們就來看看功耗的工程吧。
1.功耗的構(gòu)成——按類型分
低功耗按照類型分類呢，其構(gòu)成主要有動態(tài)功耗、靜態(tài)功耗、浪涌功耗這三種。在這第一小點(diǎn)我主要做一些簡要的介紹，在后面的第三小點(diǎn)我將結(jié)合工藝庫進(jìn)行介紹。
（1）動態(tài)功耗
動態(tài)功耗包括：開關(guān)功耗或者稱為翻轉(zhuǎn)功耗、短路功耗或者稱為內(nèi)部功耗。
①開關(guān)功耗
在數(shù)字CMOS電路中，對負(fù)載電容進(jìn)行充放電時(shí)消耗的功耗，比如對于下面的CMOS非門中:
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當(dāng)Vin = 0時(shí)，上面的PMOS導(dǎo)通，下面的NMOS截止；VDD對負(fù)載電容Cload進(jìn)行充電，充電完成后，Vout的電平為高電平。
當(dāng)Vin = 1時(shí)，上面的PMOS截止，下面的NMOS導(dǎo)通，負(fù)載電容通過NMOS進(jìn)行放電，放電完成后，Vout的電平為低電平。
這樣一開一閉的變化，電源的充放電，就形成了開關(guān)功耗，開關(guān)功耗Psitch的計(jì)算公式如下所示：
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在上式中，VDD為供電電壓，Cload為后級電路等效的電容負(fù)載大小，Tr為輸入信號的翻轉(zhuǎn)率（關(guān)于翻轉(zhuǎn)率，我們在后面第三小點(diǎn)會進(jìn)行介紹）。我們不必追究這個(gè)公式怎么得來，我知道這個(gè)功耗在這么計(jì)算就可以了，有興趣的話，也可以深入探討。
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②短路功耗
短路功耗也稱為內(nèi)部功耗，短路功耗是因?yàn)樵谳斎胄盘栠M(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，信號的翻轉(zhuǎn)不可能瞬時(shí)完成，因此PMOS和NMOS不可能總是一個(gè)截止另外一個(gè)導(dǎo)通，總有那么一段時(shí)間是使PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)通，那么從電源VDD到地VSS之間就有了通路，就形成了短路電流，如下面的反相器電路圖所示：
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短路功耗Pshort的計(jì)算公式如下所示：
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上式中，Vdd為供電電壓，Tr為翻轉(zhuǎn)率，Qx為一次翻轉(zhuǎn)過程中從電源流到地的電荷量。
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由此我們可以找到，動態(tài)功耗主要有開關(guān)功耗和短路功耗；其中開關(guān)功耗在動態(tài)功耗中占大部分比例；從上面的兩個(gè)式子中我們可以看到，動態(tài)功耗主要跟電源的供電電壓、翻轉(zhuǎn)率、負(fù)載電容有關(guān)。
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（2）靜態(tài)功耗
在CMOS電路中，靜態(tài)功耗主要是漏電流引起的功耗，如下圖所示：
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漏電流有下面幾個(gè)部分組成：
·PN結(jié)反向電流I1（PN-junction Reverse Current）
·源極和漏極之間的亞閾值漏電流I2（Sub-threshold Current）
·柵極漏電流，包括柵極和漏極之間的感應(yīng)漏電流I3（Gate Induced Drain Leakage）
·柵極和襯底之間的隧道漏電流I4（Gate Tunneling）
一般情況下，漏電流主要是指柵極泄漏電流和亞閾值電流（進(jìn)入超深亞微米工藝之后，隧道漏電流成為主要電流之一），因此下面就簡單介紹一下這兩種電流。
柵極泄漏功耗：在柵極上加信號后（即柵壓），從柵到襯底之間存在電容，因此在柵襯之間就會存在有電流，由此就會存在功耗。
亞閾值電流：使柵極電壓低于導(dǎo)通閾值，仍會產(chǎn)生從FET漏極到源極的泄漏電流。此電流稱為亞閾值泄漏電流。在較狹窄的晶體管中，漏極和源極距離較近的情況下會產(chǎn)生亞閾值泄漏電流。晶體管越窄，泄漏電流越大。要降低亞閾值電流，可以使用高閾值的器件，還可以通過襯底偏置進(jìn)行增加閾值電壓，這些屬于低功耗設(shè)計(jì)，我們在后面的低功耗設(shè)計(jì)中會進(jìn)行講解。
靜態(tài)功耗的計(jì)算公式如下所示，Ipeak為泄漏電流：
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靜態(tài)功耗往往與工藝有關(guān)，我們在第三小節(jié)中將進(jìn)一步進(jìn)行討論。
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（3）浪涌功耗
浪涌功耗是浪涌電流引起的功耗。浪涌電流是指開機(jī)或者喚醒的時(shí)候，器件流過的最大電流，因此浪涌電流也稱為啟動電流。一般情況下，浪涌功耗不是我們關(guān)注的地方，因此這里只是說明有這個(gè)功耗存在。
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2.功耗的構(gòu)成——按結(jié)構(gòu)分
前面按照類型進(jìn)行功耗分類，這里使用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，也就是根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)或者設(shè)備的構(gòu)成進(jìn)行分類。（以SoC為例）主要分為：時(shí)鐘樹功耗、處理器功耗、存儲器功耗、其他邏輯和IP核功耗、輸入輸出pad功耗。在不同的應(yīng)用、設(shè)備中，這些功耗的比例不一樣，但是時(shí)鐘樹、處理器、存儲器占了絕大部分功耗，這是需要說明的。
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3.工藝庫中的功耗模型
前面介紹了功耗的構(gòu)成，在這一小點(diǎn)中，將結(jié)合工藝庫進(jìn)行闡述功耗(的構(gòu)成)，同時(shí)結(jié)合工藝庫舉例說明功耗的計(jì)算。
（1）工藝庫中的功耗信息與計(jì)算
①開關(guān)功耗計(jì)算與相關(guān)庫信息
我們從前面知道，開關(guān)功耗主要就是對輸出電容的充放電引起的，工藝庫中有開關(guān)功耗有關(guān)的信息，如下所示:
開關(guān)功耗可以用開關(guān)能量和翻轉(zhuǎn)率來表示:P=E·Tr=C·v^2·T2,即開關(guān)能量E=CV^2。翻轉(zhuǎn)率我們后面會進(jìn)行說明，至于放在后面介紹翻轉(zhuǎn)率，一個(gè)是即介紹即用，另外一個(gè)就是幫大家功耗的組成。
②內(nèi)部功耗/短路功耗與相關(guān)庫信息
內(nèi)部功耗前面我們也介紹了一些，這里再啰嗦一下，短路功耗/內(nèi)部功耗是單元(比如說反相器單元)的輸入從0到1或者從1到0的轉(zhuǎn)換過程中，單元內(nèi)部P管和N管同時(shí)導(dǎo)通那個(gè)瞬間的功耗，這不是因?yàn)閱卧獡p壞而產(chǎn)生的短路功耗 。工藝庫中包含了單元的短路功耗，短路功耗由特性描述工具預(yù)先處理，存放在工藝庫的功耗查找表里。也就是說，我們可以通過工藝庫中內(nèi)部功耗的相關(guān)參數(shù)，從而得到內(nèi)部功耗。工藝庫中內(nèi)部功耗信息如下所示:
單元的內(nèi)部功耗與其轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸出電容負(fù)載有關(guān)，根據(jù)輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸出電容的大小，在工藝庫中進(jìn)行查表，得到上升功耗和下降功耗，然后再根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算得到總的內(nèi)部功耗:
Pi=(上升功耗+下降功耗)·0.5·Tr
需要補(bǔ)充一下，工藝庫中比較精確的功耗模型，功耗與狀態(tài)有關(guān)，與路徑也有關(guān)，即state dependent path dependent，SDPD。
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③靜態(tài)功耗/漏電功耗與相關(guān)庫信息
靜態(tài)功耗/漏電功耗也是由特性工具預(yù)先處理，存放在工藝庫里面。工藝庫中的靜態(tài)功耗信息如下所示:
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靜態(tài)功耗跟單元的狀態(tài)有關(guān)，也就是輸入(或者說單元)在不同的狀態(tài)下，對于的功耗不一樣，通過狀態(tài)進(jìn)行查表，就可以得到相應(yīng)的靜態(tài)功耗了。
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（2）計(jì)算舉例
①翻轉(zhuǎn)率
前面我們一直說翻轉(zhuǎn)率，那么翻轉(zhuǎn)率到底是什么呢？這里我們就來給大家介紹一下。
翻轉(zhuǎn)率(Toggle rate，Tr):單位時(shí)間內(nèi)信號(包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)等等信號)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如下圖所示:
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信號在40ns時(shí)間內(nèi)跳轉(zhuǎn)了4次，翻轉(zhuǎn)率為:Tr = 4/4ns = 0.1GHz
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②動態(tài)功耗計(jì)算舉例
從前面中我們知道，在計(jì)算動態(tài)功耗的時(shí)候，我們才用到翻轉(zhuǎn)率。其中開關(guān)功耗的表達(dá)式為:
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內(nèi)部功耗的表達(dá)式為:
Pi=(上升功耗+下降功耗)·0.5·Tr
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現(xiàn)在我們使用翻轉(zhuǎn)率和工藝庫的功耗信息來計(jì)算一下電路的動態(tài)功耗，電路如下圖所示:
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工藝庫信息如下所示:
·動態(tài)功耗中的開關(guān)功耗計(jì)算:
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根據(jù)公式，我們可以直接計(jì)算出開關(guān)功耗為:29.403uw
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·動態(tài)功耗中的短路功耗/內(nèi)部功耗:
Pi=(上升功耗+下降功耗)·0.5·Tr
根據(jù)公式，我們先要查找工藝庫得到上升(沿)功耗和下降(沿)功耗。輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.20000,輸出電容負(fù)載為0.270000，因此對于的上升功耗和下降功耗分別為:0.214947和0.094129。因此總的內(nèi)部功耗為:
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·于是得到總的動態(tài)功耗為：
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③其他事項(xiàng)
·單元的功耗可能與狀態(tài)和路徑有關(guān)，下圖中:
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左圖是RAM單元，在讀狀態(tài)和寫狀態(tài)時(shí)，功率是不同的。此外，單元的功耗在不同的操作模式下也有不同的值。
右圖表示了輸入到輸出的不同路徑，路徑不一樣，功耗也是不一樣的。
·工藝庫有狀態(tài)和路徑不同時(shí)的功耗描述，即SDPD描述，如下圖所示:
我們也可以在EDA工具中使用report_lib ?slow ?-power?命令列出庫中的功耗信息:
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第一講先整理到這里。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的（一）低功耗设计目的与功耗的类型的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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