第5章低功耗数字电路.ppt

1第第5 5章章低功耗数字电路低功耗数字电路 2 ?随着工艺水平的提高, IC的规模越来越大,处理能力越来越强, 但同时功耗也明显增加。?特别是随着移动设备的广泛应用,功耗问题已经成为了 IC设计的一个主要障碍,这迫使设计者在各个设计层面开展低功耗设计方法的研究。?以处理器为例,处理器的应用大致可以分为两个方面,一方面是以专用设备和便携设备为代表的嵌入式应用,另一方面是以高性能运算为主要目标的高端应用。?在嵌入式领域,功耗是极其关键的设计问题,其重要性往往超过性能等其它设计因素,设计者们必须面对电池使用时间和系统成本的限制,尽最大可能地利用特定的设计资源进行低功耗设计,以满足特定的应用需求。?在以工作站和服务器为代表的高端应用上,功耗也为处理器设计提出了严峻的挑战。伴随着工艺水平的提高,微结构的复杂性迅速增加,时钟频率得到快速提升,高性能处理器的功耗问题也变得极其严重,这就要求处理器设计者们要在设计的各个层面,都开展低功耗方案的研究。 3 ?功耗问题的严重性?随着计算机在全世界的普及,其消耗的能量也越来越巨大。在 1992 年,全世界大约有 87M 个CPU ,功耗约为 160M Watts ,而到了 2001 年, 就有了 500M 个CPU ,功耗大约为 900OM Watts ,而我们的三门峡水利枢纽工程装机容量也就 116OM Watts, 服务器对能量的需求更大,例如, 占地 2500 平方英尺的由 8000 个服务器组成的巨型机可以消耗 2M Watts 电能,功耗费用占管理此设备总费用的 25% 。?由于处理器内部结构复杂程度迅速增加,单个处理器的功耗已经超过了 100 瓦。在人们熟悉的 Intel 处理器家族中, Intel486DX 峰值消耗大约 5W,而 Pentimu4 的处理器却达到了 55W ,依靠主板供电变得非常困难,而且要用大功率风扇来解决散热问题,需要注意的是, Pentnim4 系列处理器从设计的一开始就在各个阶段进行了低功耗设计, 这更说明了功耗问题的严峻性。?在IC设计中,功耗和性能常常是不能两者兼顾的。在 PC和工作站领域,性能的提升是受冷却能力限制的,通常采用封装、风扇和水槽等方法来解决。而在便携产品中,关键因素是电池寿命,所以挑战就是对给定的电源限制后,最大化 IC的性能。这就确定了 IC的发展目标是在功耗和性能之间找到平衡点,而且这个平衡点必须满足广阔的应用范围。 4 ?低功耗设计的好处 :?低功耗设计带来的一个最直接的好处就是节省能源, IC对功耗的消耗是巨大的,而低功耗设计恰恰能减少电能的消耗,节省能源对环境和资源的保护大有裨益。另外,对于移动和便携设备, 主要的能源供应使用的是电池,而电池的蓄电能力是有限的,应用低功耗技术,减少能量消耗,延长电池供电时间,无疑可以增加移动设备的便携能力,扩大设备的应用范围。 : ?使用低功耗设计还可以降低芯片的制造成本和系统的集成成本, 首先在芯片设计时,如果功耗高,就要考虑增加电源网络,并避免热点的出现,这无疑提高了设计的复杂度,增加了设计的成本。其次,在芯片制造的时候,功耗高就会增加封装的成本,不同的封装形式,价格相差很大。最后,在系统集成的时候,使用功耗较高的芯片,就要采用较好的散热方法,会提高系统的成本。 5 : ?低功耗设计可以提高系统的稳定性。由于功耗增加会导致芯片温度升高,温度升高后会导致信号完整性和电迁移等电学问题,并会进一步加大漏电功耗,从而影响芯片的正常工作,由于功耗过高导致系统死机的情况在当今随处可见。 : ?功耗是制约性能的一个重要因素,由于顾及到功耗的严重性, 很多高性能芯片的设计都被迫放弃研究计划,或者精简设计方案。比如,在 2004 年, Intel 公司就是因为功耗过高而被迫放弃了其性能最优的 Tejas 和Jayhawk 处理器的研发计划,其中 Tejas 样片的功耗超过了 150W 。而且,在系统集成过程中,常常为了避免功耗增加带来的系统不稳定性,以及为了延长电池的使用时间,不得不以牺牲系统的性能为代价,使系统工作在相对低频的情况以控制功耗。 6 ?低功耗设计技术的发展趋势 1、降低动态功耗技术趋势?在以降低动态功耗为目标的低功耗设计技术上,减少 IC内部逻辑的跳变活动,降低 IC的工作电压和工作频率依然是低功耗设计的最主要内容。但由于工艺水平提高以后,供电电压已经降得很低了,电压的可变范围逐渐缩小,所以同动态调整工作电压相关的技术将越来越受到限制,但根据任务负载调整工作频率和控制空闲部件的跳变依然会持续有效。由于工艺技术的提高,动态功耗在处理器整体功耗中的比重已经下降,但从图 中可以看出,动态功耗依然占据着相当重要的地位,所以