功耗类型总结和低功耗设计方法

数字IC设计进阶之路 3——功耗类型总结和低功耗设计方法 - 知乎

功耗组成

静态功耗：漏电功耗，和Vth有关，Vth越高漏电电流越小，功耗月底，静态功耗只和器件参数有关

动态功耗：包含switching 开关功耗和短路功耗(内部功耗)

• switching 开关功耗 是对负载的充放电功耗，和Vdd以及输出翻转率Tr有关，和clk频率无直接关系

• 短路功耗 在翻转过程中P管和N管有短暂的同时导通的情况

clk tree功耗：芯片中clk tree功耗有数据说达到整体功耗的40%，如果没有clkgate的话
 

降低功耗的方法

1）降低供电电压：降低供电电压是一种减小功耗的基本方法，功耗与电源电压的平方成正比，但随着电源电压的降低，开关速度也会降低，同时将导致更多的噪声抗扰性问题。

2）时钟门控：时钟门控是一种降低动态功耗的方法，为所选寄存器组停止时钟信号，这种方法的主要挑战是找到使用的最佳位置，并创建适当时间关闭和打开时钟的逻辑。

3）多阈值电压库单元：一些CMOS技术支持制作具有不同阈值电压的晶体管，在这种情况下，单元库可以提供两个或多个不同的单元来实现每个逻辑功能，每个单元使用不同的晶体管阈值电压。

4）多电压设计：将设计分为独立的“电压域”，根据每个区域对时序的要求使用不同的供电电压。比如，对时序要求严格的模块放在标准电压下操作（90 nm工艺是1 V）；对时序要求不是那么严格的路径可安排在其他低电压区域，比如0.8 V。

5）电源切断：在芯片上加入开关以根据应用要求选择性地切断供电电流，一方面，对于细粒度电源门控，需要添加一些开关晶体管，因此需要与标准库单元配合；另一方面，对于粗粒度的电源门控，晶体管是供电网络的一部分而不是标准单元的一部分。

6）动态电压频率调节：根据芯片所运行的应用程序对计算能力的不同需要，动态调节芯片的运行频率和电压（对同一芯片，频率越高，需要的电压也越高），从而达到降低功耗的目的。具体步骤可归纳为：首先采集系统负载相关信号，计算当前系统负载；再根据当前负载预测系统下一时间段性能需求；计算出系统工作需要的频率；最后根据新的频率计算相应的电压，调整供电电压。

降低功耗常用设计单元

1）CG cell：门控时钟单元，通过关闭芯片上暂时用不到的功能和它的时钟，从而实现节省电流消耗的目的。一般为了避免毛刺的产生，会采用基于锁存器的门控单元。

2）普通的标准单元：如多阈值电压的cell等。

3）Isolation cells：隔离单元，一种可以在某个电源域关断时，可以保持输入或者输出为常数的单元。

4）Level shifter cells：电压电平转换单元，主要作用是将信号从一个电压域切换到另一个电压域。

5）Power switches ：电源开关单元，提供了关闭逻辑域的电源的能力。

6）Always-on cells：电源管理单元需要保持激活，即使这些单元周围的逻辑已经被关闭，这就需要用到Always-on cells。其是一种特殊的cell，它的供电来自于不会被关断的电源域(always-on domain), 但是被摆放在可以被关断的电源域。

7）Retention cells：保留单元，能够在电源关闭的情况下，能保持内部状态的特殊单元。