SoC系统的低功耗设计

摘要：功耗问题正日益变成VLSI系统实现的一个限制因素。对便携式应用来说，其主要原因在于电池寿命，对固定应用则在于最高工作温度。由于电子系统设计的复杂度在日益提高，导致系统的功耗得到其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为依据，突出实现SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。 关键词：VLSI SoC CMOS集成电路 低功耗设计 引言 从20世纪80年代初到90年代初的10年里，微电子领域的很多研究工作都集中到了数字系统速度的提高上，现如今的技术拥有的计算能力能够使强大的个人工作站、复杂实时语音和图像识别的多媒体计算机的实现成为可能。高速的计算能力对于百姓大众来说是触指可及的，不像早些年代那样只为少数人服务。另外，用户希望在任何地方都能访问到这种计算能力，而不是被一个有线的物理网络所束缚。便携能力对产品的尺寸、重量和功耗加上严格的要求。由于传统的镍铬电池每磅仅能提供20W.h的能量，因而功耗就变得尤为重要。电池技术正在改进，每5年最大能将电池的性能提高30%，然而其不可能在短期内显著地解决现在正遇到的功耗问题。 虽然传统可便携数字应用的支柱技术已经成功地用于低功耗、低性能的产品上，诸如电子手表、袖珍计算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便携的应用一直在增长。例如，笔记本计算机就代表了计算机工业里增长最快的部分。它们要求与桌上计算机一样具有同样的计算能力。同样的要求在个人通信领域也正在迅速地发展，如采用了复杂语音编解码算法和无线电调制解调器的带袖珍通信终端的新一代数字蜂窝网。已提出的未来个人通信服务PCS（Personal Communication Services）应用对这些要求尤其明显，通用可便携多媒体服务是要支持完整的数字语音和图像辨别处理的。在这些应用中，不仅语音，而且数据也要能在无线链路上传输。这就为实现任何人在任何地方的任何时间开展任何想要的业务提供了可能。但是，花在对语音、图像的压缩和解压上的功耗就必须附加在这些可便携的终端上。确实，可便携能力已经不再明显地和低性能联系在一起了；相反，高性能且可便携的应用正在逐步得到实现。 当功率可以在非便携环境中获得时，低功耗设计的总理也变得十分关键。直到现在，由于大的封装、散热片和风扇能够轻而易举地散掉芯片和系统所产生的热，其功耗还未引起多大的重视。然而，随着芯片和系统尺寸持续地增加，要提供充分的散热能力就必须付出重要代价，或使所提供的总体功能达到极限时，设计高性能、低功耗数字系统方法的需求就会变得更为显著。幸好，现在已经发展了许多技术来克服这些矛盾。 由于可以高度集成，并具有低功耗、输入电流小、连接方便和具有比例性等性质，CMOS逻辑电路被认为是现今最通用的大规模集成电路技术。下面研究CMOS集成电路的功耗组成，概述实现集成电路——SoC（System on Chip）系统的低功耗设计的诸多方法。目的在于揭示当今电子系统结构复杂度、速度和其功耗的内在联系，在及在数字电子系统设计方向上潜在的启示。 1 CMOS集成电路功耗的物理源 要研究SoC的低功耗设计，首先要物理层次上弄清该集成电路的功耗组成，其次，才能从物理实现到系统实现上采用各种方法来节省功耗，达到低功耗设计的目的。图1为典型CMOS数字电路的功耗物理组成。 （1）动态功耗 动态功耗是由电路中的电容引起的。设C为CMOS电路的电容，电容值为PMOS管从0状态到H状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为Vdd时，从0到H状态变化（输入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存储在电容之中，另一半的能量扩展在PMOS之中。对于输出端来说，它从H到0过程中，不需要Vdd的充电，但是在NMOS下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每个时钟跳变过程之中，所有的CMOS电容都会进行一次转换（除了时钟缓冲器），所以最后要再加上一个概率因子a。电路活动因子a代表的是，在平均时间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为：Psw=aCVdd2f。 （2）内部短路功耗 CMOS电路中，如果条件Vtn 实际上，这一部分与使用的工具有关。与软件部分有相同之处，后端综合与布线同软件的编译差不多。软件编译的结果是产生可执行的机器代码；而RTL的综合与布线是把RTL代码编译成真实的电路。但是，后端综合与布线优化比较编译优化有更好的效果。这是因为一段RTL代码所对应的电路是可以有多种形式的；同时现有些编译器会根据设计者提供的波形，智能地修改电路（前提是最终电路的效果还是一样的），编译器就会进行相关的优化。但是后端综合的优化与RTL级代码优化和时钟控制相比，同样的RTL级与时钟优化所产生的影响要远大于用编译工具所产生的影响。 （6）功耗的精确计算 后端综合与布线工具不但可以根据基本单元提供的功耗参数进行优化，还可以根据这些参数估算出整个SoC的功耗。正因为有这样一些工具，使我们可以精确地知道我们所设计的是否达到设计要求。万一设计功耗不符合总体要求，则可能要求从系统级到物理综合布线都要做出检查与分析，做出可能的改进，尽可能地减少功耗以达到设计要求。 （7）小结 从上面的各种降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系统的拉耗优化涉及到从物理实现到系统实现的方方面面，是芯片设计中一个十足的系统工程。可以说，功耗可以决定一切。 结语 本文首先分析了CMOS集成电路的功耗物理组成，得到了其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为指导，突出了SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。不管是现在还是将来，该领域的重要性将会日益显著。在下面的一些发展方向还将会有较大的发展： ①实现SoC系统设计的变换以及映射技术的进一步探索。 ②将各种低功耗设计手段按照各性质最佳综合起来，以便使用基于人工智能的技术（如遗传算法和启发式算法等等）来研究。 ③发展以实现低功耗为目的CPU指令程序的改写技术，以将其扩展到复杂SoC系统的设计中。 ④进一步研究应用于SoC低功耗设计的编码和信号表示技术。 ⑤扩展功耗估算模型的数量以覆盖所有的SoC系统模式，等等。 随着便携式和移动计算要求的进一步增长，集成电路—SoC的低功耗设计将变成一个越来越重要且必须面临的问题。它对开发新型电子产品，其意义重大。