SoC设计11-低功耗

SoC设计方法与实现第十一章低功耗设计内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势为什么需要低功耗设计•便携式设备——电池寿命•桌面系统——高功耗•高功耗对系统的影响系统可靠性系统性能系统生产及封装成本系统散热成本内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势功耗的类型•负载电容充放电时引起的功耗，称为动态功耗翻转功耗是数字电路要完成功能计算所必须消耗的功耗，称为有效功耗短路功耗是由于CMOS在翻转过程中PMOS管和NMOS管同时导通时消耗的功耗，称为无效功耗•漏电流引起的功耗，称为静态功耗2DDswscDDswleakDD12PCVfNQVfNIV动态功耗静态功耗短路功耗漏电流功耗翻转功耗动态功耗——翻转功耗CMOS电路中的动态电流2swithswDDsw01()d2TPfNPttCVfN动态功耗——短路功耗CMOS电路中的短路电流shortDDswxPQVfN静态功耗•在CMOS电路中静态功耗主要是由漏电流引起的功耗。漏电流主要由以下几部分组成：PN结反向电流I1（PN-junctionReverseCurrent）源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2（Sub-thresholdCurrent）栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3（GateInducedDrainLeakage）栅极和衬底之间的隧道漏电流I4（GateTunneling）漏电流leakgeDDleakPVICMOS工艺的发展与功耗的变化TSMC和BPTM的工艺下晶体管的各种参数CMOS工艺的发展与功耗的变化在不同工艺下的MOS管漏电流的组成CMOS工艺的发展与功耗的变化不同电压、不同工艺、不同频率及不同晶体管数目下CMOS电路的功耗实例（源自Intel）SoC中的主要功耗两个典型的SoC系统中的功耗组成SoC中的主要功耗ARM946-S中系统功耗的组成部分内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势低功耗反馈的前向设计方法各层次优化方法及优化效果内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势工艺优化•多阈值工艺（Multi-VtDesign）方法•电源门控（PowerGating）方法工艺优化——多阈值工艺阈值与漏电流的关系工艺优化——多阈值工艺一种使用多阈值工艺的设计流程工艺优化——电源门控方法电源闸门方法电压优化•体偏置（BodyBias）•多电压（Multi-VoltageScaling）电压优化——体偏置用于体偏置的三阱结构MOS管电压优化——多电压多电压设计门控时钟技术•预计算•门控时钟门控时钟技术——预计算•预计算是指通过判断输入向量在满足一些特定条件时将输入释放或屏蔽简单的停时钟电路门控时钟技术——门控时钟•门控时钟即用逻辑门电路控制模块时钟的停或开简单停时钟电路简单的门控电路产生时钟毛刺门控时钟技术——门控时钟使用锁存器停时钟带锁存器的停时钟单元工作波形图门控时钟的RTL代码always@(CLKorCLK_EN)if(!CLK)CLK_TEMP=CLK_EN；assignGCLK=CLK&CLK_TEMP；门控时钟的可测性设计测试模式下门控时钟单元被旁路门控时钟的时钟树设计在时钟树的根处停GCLK门级优化技术•毛刺的消除•逻辑级优化•物理级优化•控制输入向量门级优化技术——毛刺的消除•这里的毛刺是指由于电路中信号的传输延迟引起的不必要的翻转，它的存在会引起很大的动态功耗消除毛刺前的电路消除毛刺后的电路门级优化技术——逻辑级优化•调整门的大小•引脚的重分配•重排序操作•重新映射门级优化技术——物理级优化•物理级优化主要通过减少翻转和减少负载电容来降低系统的功耗•物理级优化主要有以下几种方法：使用低功耗的库设计低功耗的布局规划基于功耗优化的布局规划通过布局布线来减少毛刺在优化布局的时候调整缓冲器和连线的大小调整晶体管的大小减少负载电容门级优化技术——控制输入向量不同的输入向量条件下漏电流差别门级优化技术——控制输入向量控制输入向量的方法低功耗SoC系统的动态管理•动态电压及频率调节技术•低功耗操作系统•存储器功耗控制动态电压及频率调节技术•动态电压及动态频率调节(DVFS，DynamicVoltageandDynamicFrequencyScaling)技术是一种通过将不同电路模块的工作电压及工作频率调低到恰好满足系统最低要求，来实时降低系统中不同电路模块功耗的方法•该技术基于这样一种观察结果，即电路模块中的最大时钟频率和电压是紧密相关的低功耗操作系统加入了功耗管理机制的操作系统存储器功耗控制•存储器单元的优化，包括减小漏电流，如双阈值的SRAM单元、门控电源的SRAM单元或者门控接地的SRAM单元等，使用功耗可控的DRAM•分层的存储器，将一大块存储器划分为几个单独时钟和电压可控的小段，使用小段，每一个存储器段都工作在不同的功耗模式下•存储器管理使用多种功耗状态低功耗SoC设计技术的综合考虑低功耗技术对功耗与设计复杂度的影响内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势功耗度量•峰值功耗：系统所能达到的功耗的最大值，主要用来调整电源线的宽度和噪音的容限•平均功耗：系统在运行过程中的平均功耗，主要用来选择封装方式、冷却装置和电池寿命等•RMS（平方根法）：用来决定电子迁移的规则电路设计中功耗的估计和方针•综合后的功耗估计：一种动态的功耗仿真方式，与具体的向量相关的，具有很高的精度，但是需要较长的时间，主要包括RTL级的估计、门级的估计和晶体管级的估计，需要精确的功耗模型•直接仿真：基于时钟周期的功耗仿真方式•概率仿真：通过估计信号的转换概率进行功耗的仿真•统计仿真：基于MonteCarlo的仿真方式业界流行的功耗估计工具及其特点内容大纲•为什么需要低功耗设计•功耗的类型•低功耗设计方法•低功耗技术•低功耗分析和工具•低功耗设计趋势低功耗设计趋势•系统层次上的低功耗设计•测试电路的低功耗设计•异步电路设计技术•内存的低功耗设计系统层次上的低功耗设计•静态功耗优化在编译时充分考虑指令的功耗特性，合理配置数据段和指令段在内存中的位置，并调整寄存器的分配；提高算法的执行效率；合理实现任务调度，减少由于频繁的上下文切换所造成的功耗•动态功耗优化操作系统支持下的动态功耗管理和动态电压频率缩放前者是指将处于空闲状态或非满负荷运转状态的系统单元有选择的关闭或减慢运行速度。这主要有几种方式：基于超时（Timeout-based）的关闭策略、基于预测的关闭策略和基于Markov链的随机动态功耗管理策略Q&A