低功耗设计技术.ppt

Outline
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低功耗的研究背景
低功耗的基本理论
降低集成电路功耗的途径
低功耗设计技术
低功耗评估技术
功耗和能量效率
技术发展
总结
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低功耗设计技术
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低功耗研究的背景
西安邮电大学—电子工程学院
随着工艺特征尺寸的缩小以及复杂度的提高，单位面积上的功耗密度急剧上升，已经达到封装、散热、以及底层设备所能支持的极限；
散热问题、可靠性问题也要求IC的功耗越小越好；
对现在流行的移动计算，系统的低功耗设计及其IC的低功耗设计，是其生存的关键；
最后全球都在倡导绿色环保科技理念，保护环境，节约能源。
为什么需要低功耗设计
低功耗设计技术
低功耗研究的背景
西安邮电大学—电子工程学院
Figure 1. Power density with shrinking geometry. Fred Pollack
功率密度
4004
8008
8080
8085
8086
286
386
486
Pentium®
P6
1
10
100
1000
10000
1970
1980
1990
2000
2010
Power Density (W/cm2)
Hot Plate
Nuclear
Reactor
Rocket
Nozzle
Sun’s
Surface
Source: Intel
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低功耗设计技术
低功耗研究的背景
西安邮电大学—电子工程学院
Figure 2. IC power trends: actual vs. specified. Courtesy Si2 LPC.
SOC power trends
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低功耗设计技术
低功耗研究的背景
西安邮电大学—电子工程学院
随着设计复杂性的加深和IC性能的提高，单片集成封装的功耗呈逐年上升趋势，在高性能处理器中功耗问题尤其突出。尽管采用了各种制冷措施来维持系统的正常运行，但功耗转化的焦耳热将对电路性能产生很大影响。功耗的上升意味着电迁移率的增加，当芯片温度上升到一定程度时，电路将无法正常工作。这将直接影响到复杂系统的性能并进而损害整个系统的可靠性，尤其对那些生命周期长和可靠性要求高的电子产品，功耗的挑战已经十分严重。
可靠性
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低功耗设计技术
低功耗的基本理论
西安邮电大学—电子工程学院
Dynamic Power
Dissipation
Static Power
Dissipation
功耗组成
Total Power
Dissipation
Pswitching
Pshort-circuit
Pleak
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低功耗设计技术
低功耗的基本理论
西安邮电大学—电子工程学院
Ptotal= Pswitching+Pshort-circuit+Pleakage
= kCV2f+τkVIsc+VIleak
其中：f是系统的频率；k是跳变因子，即整个电路的平均反转比例；C是门电路的总电容；V是供电电压；τ是电平信号从开始变化到稳定的时间。
总功耗
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低功耗设计技术
西安邮电大学—电子工程学院
动态功耗：当电路活动时消耗的功耗。
开关功耗：对负载充/放电
低功耗的基本理论
0->1:一半的能量被上拉网络所消耗，一半的能量存储在CL上；
1->0:CL上存储的能量消耗掉。
动态功耗
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低功耗设计技术
低功耗的基本理论
西安邮电大学—电子工程学院
开关功耗
Psw = k CL Vdd2 fCLK
Reduce Switching Activity:
Conditional clock
Conditional precharge
Switching-off inactive blocks
Conditional execution
Run it slower:
Use parallelism
Less pipeline stages
Use double-edge flip-flop
Technology scaling:
The highest win
Thresholds should scale
Dynamic voltage scaling
Reduce the active load:
Minimize the circuits
More efficient layout
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低功耗设计技术
西安邮电大学—电子工程学院
短