SOC中的低功耗设计方法.pdf

锾旦大学硕学位论文士ㄒ笛院系:信息科学与工程学院业:电子与通信工程年月姓莫军指导教师:沈泊完成日期:专名:学校代码:号:
中文摘要在设计中采用多域值电压的标准单元库,是解决这一问题的主要途径。低速度时钟域内采用高蛑档缪的单元,减少属电流;在要求高速的时钟域中,随着设计技术和工艺水平的提高,设计工程师面临的问题不仅仅是速度,面积上的要求,功耗也是他们需要考虑的一大要点。在深亚微米绒的设计中,动念功耗占绝大部分,通过降低电压,提高工艺可以很大幅度地降低芯片功耗。随着电压的降低,阈值电压也会相应地减少。到了纳米级的设计中,阂值电压的降低使漏电流增大,漏电流/静念功耗所占的比重越柬越大。提高域值电压,可以降低漏电流功耗,但是对应的逻辑门速度将会减陧。还是采用低的单元。关键词:低功耗,动念功耗,阈值电压,静态功耗,漏电流中图分类弓:⒌缱友А⒓傻缏复口人学傲苛搜程妙弦德畚
中幽分类号:恋缱友А⒓傻缏复口人学傲电了学趟秨毕业论文,.猰,甀琹,琣猇甎珼琒琒
第一章前言任务之一。际醯姆⒄故沟玫ジ鲂酒伤械拇聿考晌?赡埽庑自集成电路问世以来,设计者在单个芯片上集成的晶体管的数量呈现出令人廉讶的增长速度。近年,集成电路的发展一直遵循着“摩尔定律”:集成在芯片上的晶体管的数量每个月就翻一番,芯片成本也相应下降。在设计中,设计者主要关注速度、面积、成本、可靠陛,其次爿是功耗。而进入贝凸囊丫晌S朊婊晚跄芡戎匾5纳杓颇勘特定领域,功耗指标甚至成为第一大要素。牡凸纳杓朴肫拦兰际跻殉为闹卮筇粽街弧低功耗需求是⒄沟耐贫χ唬绾谓档凸挠质荢面临的艰巨处理部件可以包括基本的晶体管、不同的处理器核、内存单元甚至模拟单元。包含了如此众多的部件,功耗设计将成为一个关键且复杂的课题。这是因为:茉聪拗疲蛭K孀疟阈揭贫ㄐ藕图扑悴返钠占埃缘绯氐男枰大大增强,但电他的技术相对落后,发展缓慢,这就需要在低功耗领域有所发展。缏返墓幕崛ú孔;扇饶埽嗟娜攘炕岵苟刃вΓ泳绻失效,导敛可靠眭下降,而快速散热的要求又会导致封装和制冷成奉提高。拇蟮贾吕芏雀撸亓髯铀俣缺ズ停琁俣纫参薹ㄔ偬嵘繁F谕慕档停⑷纫不峒跎伲蚨突峒跎俣曰肪车挠跋臁在解决低功耗问题的过程中,人们尝试了许多方法。在发展的历史上,通过单纯在工艺上缩小器件体积和降低操作电压束降低功耗,已经取得了很大的成效,不过已经接近其物理极限。而且,降低的功耗主要是动念功耗,随着工艺水平的提高,静态功耗所占的比重越柬越大。当酮在超深亚微米工艺下的杓乒讨校枰T谙低臣丁⑻逑到峁辜丁、门级,到最后的版图级进行协同设计,才能同时保证提高眭能和减少功耗。复口大享傲了学贪觙毕业论义
菴傧第二章集成电路功耗的物理源但并不是在每个时钟跳变过程之中,所有的电容都会进行一次转电路中,如果条件狪渲蠽是的要研究牡凸纳杓疲紫纫N锢聿愦紊吓G寤旨傻缏返功耗组成,其次,才能从物理实现到系统实现上采用各种方法来节省功耗,达到低功耗设计的目的。下面讨论数字电路的功耗物理组成。动念功耗是由电路中的电容引起的。设狢缏返牡缛荩容值为管从刺紿状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例,当咳电压为保到刺浠输入端枰的能量是F渲幸话氲哪芰看娲⒃诘缛葜校硪话氲哪芰坷┱在之中。对于输出端束晚,它从过程中,不需要某电,但是在下拉的过程中,会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果在每次时钟变化时都变化一次,则所耗的功率就是,换耸敝踊撼迤,所以最后要再加上一个概率因子5缏坊疃因孑淼氖牵谄骄蔽誓冢桓鼋诘阒校扛鍪敝又芷谥冢这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为:诓慷搪饭门限电压,荘拿畔薜缪成立,这时在降刂日腘复口人学傲苛搜程埘,弦德畚
果在一个节点上,的时候,短路电流会破消除掉。静念偏电掉的是二极管在反向加电时,晶体管内出现的偏电现象。在苤校饕V傅氖谴映牡椎淖⑷胄в脱敲畔扌вΑU庑┯牍和就会同时打丌,产生短路电流。在门的输入端上升或者下降的时認比其输出端的上升或者下降时间快的时候,短路电流现象会更为明显。为了减少平均的短路电路,应尽量保持输入和输出在同一个沿上。一般柬说,内部短路电流功耗不会超过动态功耗的%。而且,如蔡┑绻艺有关,在微米工艺中,漏电所造成的功耗很小,不是考虐的重点。随着工艺的进步,尤其是进入纳米工艺时代,漏电功耗所占的比重越来越大。类型公式比重⒚比重擅工艺动念功耗内部短路功耗静态属电功耗总功耗〗集成电路中主要的耗电类型在微米工艺时代,通过设计工艺技术的改善,能破减小到可以忽略的程度,因而簿统晌9牡闹饕R蛩亍6杂赟柬说,所有的方法都是围绕着动态功耗束做文章的,因为在电路信号变化时,功耗消耗主要在电路中电容的充放电过程。如何从各个层次、各个方面尽量减少电路的充放电,将是设计者关心的主题。到了纳米工艺时代,嫉谋戎卦郊碓酱螅绻行У亟档吐┑绻某晌I杓普的新难题。复日人学微电了半绦轎毕业论文%一%