SoC芯片的低功耗设计.pdf

复旦大学
硕士学位论文
SoC芯片的低功耗设计
姓名:马庆容
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:程君侠
20071025
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作为集成电路设计的焦点之一的终诟髦钟τ弥邪缪葑胖匾5慕色。为了实现系统应用的低功耗,必须在纳杓乒讨薪ü淖魑S胄阅堋面积同等重要的因素加以约束与优化,这势必对纳杓品椒ā⒘鞒滩方法;并结合产品设计的实际情况,在一多媒体杓浦屑右杂τ茫钪战惯了移动设备带来的便利的人们总是希望在获得越来越多的功能与越来越强的处理能力的同时,移动设备能够越来越轻薄,电池充电的频度越来越低。但当今如紫际豕偎档哪茄捎谟没Ф圆饭δ苡胩寤囊G螅沟靡贫应用中的功耗问题,是一个即使使用燃料电池或其他电池替代方案也无法解决的难题。所以如何有效的降低移动设备的功耗变得越来越重要。件,超大规模的嚼丛狡占埃δ堋⒋砟芰工作频率膊欢显黾樱芯片的功率密度也随之不断升高。而功率密度总是有限的,不可能无限制的增加,过高的功率密度会给器件可靠性带来很大的问题,一般认为相同条件下芯片的工作温度每升高℃一℃,芯片的失效率就会增加一倍。而全球性的能源危机也年的报告中也成为了集成电路最重要的挑战之一,并且正从电路性能驱动的动态功耗问题,向着多种复杂因素决定的漏电问题转变。本文从集成电路的功耗原理分析出发,研究了各个设计层面上低功耗的设计随着诸如手机、便携式媒体播放器、笔记本电脑等移动应用的日益普及,习的电池技术并没能随着移动设备功能与性能的飞速增长而同步发展,而事实上正同时随着集成电路工艺技术的发展,在同尺寸的硅片上集成了越来越多的器使得如何有效的节能成为不可忽略的经济与社会问题。所以,即使对于非移动应用,降低功耗也同样重要。集成电路的功耗问题在要的影响。行了功耗相关的测试与分析。徽级牡凸母募
..一与蝟鵳脚赑饕籪贗皁甪弧牍銁‰R籰!!!R籧毋Ⅶ辑门输出状态不发生变化,但当输入发生变化时其内部节点的翻转也会产生动态当输入端由湮狾时,管将负载电容充电至涑龆薞即有一半的能量在这一过程中直接消耗了,而另一半则存储在负载电容上。而当输入端再由湮猇时,存储在负载电容上的能量也将被泄放掉。以以硎久恳恢芷谀诮诘愕钠骄9丶嘎剩蚨杂诠ぷ饔冢耐降缏纷枚除了在上述逻辑门输出节点稳定状态变化时会产生动态开关功耗外,即使逻由湮猇。在此过程中,从电源吸取的能量为:而输出端达到稳态后,负载电容上存储的能量则为:‰当该非门以,的频率翻转时,其功耗为:由于在整个电路中的某个节点并不是在每个时钟周期内都发生的翻车开关功耗可以表示为:开关功耗。如图兴镜幕蚍敲诺哪诓拷诘悖眝3治,由湮狾图动态开关功耗及电容负载示意国糐:的低睦,
冲的时间约为上升时间的,并且假定上黼肌警一警’则动态‰一~一‰厂一去筋‰!#籔。H铡埃—静态漏电流功耗成:处于关闭状态晶体管的亚阈值电流,。、处于反偏状态的结漏电流,—。是时钟频率,与平均开关几率暮S纱丝山ǖ缏范耐骋槐硎疚#电路固有的漏电流而产生的功耗。如图荆蔡┑缌鞴闹饕S扇糠肿和栅氧隧道电流,畔·短路功耗约为:同时,动态短路功耗与动态开关功耗几乎同时产生,对整个电路而言,≈挡坏眯∮.静态漏电流功耗是当电路处于静态缏犯鹘诘阕刺范ǘ仓时,由于啊У牡凸母膤
小小【掣,一吐,当有效氧化层厚度越来越薄时,栅氧隧道电流就越辣越不加彝笳吒O灾8輒的报告,在高性能静态偏置功耗机功耗碩三种工艺制程,其晶体管在典型工作电压下、关闭状态容忽视。此时的栅氧隧道电流不仅存在于处于关闭状态的晶体管的栅与漏交叠的曲,还存在于处于导通状态的晶体管的栅与沟道之间工艺中,。玼,。反偏结漏电流可表示为:其与亚闽值电流一样,随温度上升而指数增加,反向饱和电流,。与结浓度相如牡子隢阱、牡子隢有源区、性辞隢阱等。而有源区与相应的衬底或阱之间,又由纵向的反偏结漏电流和表面横向的反偏结漏电流组成,其为反偏结漏电流的主要贡献栅氧隧道电流在传统工艺中很小一般可忽略,但随着工艺技术的发展区域在工艺中,某些逻辑形式的电路存在静态偏置功耗。:显然对于处于关闭状态的晶体管,当阈值电压<跣』蛭露壬仙保敲鲋档流呈指数上升。并且在同样的工艺节点,不同工艺制程的亚阂值电流也有很大的差异。如在ひ战诘悖杂诟咝阅⒌凸ぷ鞴及低待亚闽值电流密度分别约为关并结面积成正比。在集成电路中,存在着多种不同的反偏结,者。整体而言,,电路的蔗净态漏电流功耗主要与关闭状态晶体管的亚阈值电流相关。电路,由于其中的作为负载一直处于常导通状态,当任一组网络道通时,即存在电源到地的直流通路。龆牡凸母募