功耗
功耗 = 靜態(tài)功耗 + 動(dòng)態(tài)功耗
= 靜態(tài)功耗 + 轉(zhuǎn)換功耗 + 短路功耗
功耗源
功耗的本質(zhì)是能量耗散。由能量守恒定律可知，能量只能從一種形式轉(zhuǎn)成另一種形式，能量的總量不變。芯片耗散的電能主要轉(zhuǎn)化成熱能。如果一顆芯片的功耗過大，容易導(dǎo)致工作時(shí)溫度過高，造成功能失效，甚至晶體管失效。因此，減小芯片功耗是很重要的一個(gè)任務(wù)。靜態(tài)功耗以及動(dòng)態(tài)功耗是兩個(gè)主要的功耗源。
動(dòng)態(tài)功耗
P_dynamic=k*C*V*V*f+m*V*I_sc，和電壓、負(fù)載電容、工作時(shí)鐘頻率、信號(hào)翻轉(zhuǎn)率、短路電流有關(guān)；
電壓角度：
（1）降低工作電壓；
（2）多電壓域；
（3）動(dòng)態(tài)電壓縮放DVS技術(shù)（處理器在不同工作模式下使用不同電壓）；
（4）電源關(guān)斷技術(shù)，power-gating；
負(fù)載電容角度：與工藝有關(guān)
（1）按比例縮小集成度，降低器件電容；
（2）多芯片系統(tǒng)中，可以考慮多芯片封裝，減低接口間電容；
（3）合理的布局布線；
工作時(shí)鐘頻率角度：
（1）降低工作頻率；
（2）多時(shí)鐘域；
（3）門控時(shí)鐘，clockgating；
數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)率角度：
（1）使用格雷碼等狀態(tài)翻轉(zhuǎn)比較少的編碼；
（2）數(shù)據(jù)不操作說，保持上次的值，而不是強(qiáng)制置0或者置1；
（3）使用使能信號(hào)、片選信號(hào)，減少不必要的切換；
1.動(dòng)態(tài)功耗
動(dòng)態(tài)功耗來源于：
（1）當(dāng)門翻轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載電容充電和放電，稱為翻轉(zhuǎn)功耗
（2）pmos和nmos管的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)都導(dǎo)通時(shí)的有短路電流，稱為短路功耗。
1.1翻轉(zhuǎn)功耗翻轉(zhuǎn)功耗可以用如下公式表示：
α稱為活動(dòng)因子，是電路節(jié)點(diǎn)從0跳變至1的概率。時(shí)鐘的活動(dòng)因子為1，因?yàn)樗诿總€(gè)周期都有上升和下降。大多數(shù)數(shù)據(jù)的活動(dòng)因子為0.5，每周期只跳變一次。
C稱為負(fù)載電容。
有以下辦法可以降低翻轉(zhuǎn)功耗：
（1）使用門控時(shí)鐘降低活動(dòng)因子是降低功耗的非常有效的辦法，如果一個(gè)電路的時(shí)鐘完全關(guān)斷，那么它的活動(dòng)因子和動(dòng)態(tài)功耗將降為0。Verilog在設(shè)計(jì)寄存器時(shí)采用下面寫法可以綜合成一個(gè)帶門控的寄存器。
（2）減小毛刺毛刺會(huì)增大活動(dòng)因子，有可能使門的活動(dòng)因子增加到1以上。
（3）減小負(fù)載電容電容來自于電路中的連線以及晶體管。縮短連線長度，良好的平面規(guī)劃和布局可以使連線電容減小。選擇較小的邏輯級(jí)數(shù)以及較小的晶體管可以減小器件的翻轉(zhuǎn)電容。
（4）電壓域動(dòng)態(tài)功耗與電壓有平方的關(guān)系，降低電源電壓可以顯著降低功耗。將芯片劃分成多個(gè)電壓域，每個(gè)電壓域可以根據(jù)特定電路的需要進(jìn)行優(yōu)化。例如，對(duì)于存儲(chǔ)器采用高電源電壓來保證存儲(chǔ)單元的穩(wěn)定性，對(duì)于處理器采用中等大小的電壓，對(duì)運(yùn)行速度較低的IO外圍電路采用低電壓。解決跨電壓域信號(hào)傳輸?shù)姆椒ㄊ鞘褂秒娖睫D(zhuǎn)換器。
（5）動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整DVSCPU處理不同的任務(wù)有不同的性能要求。對(duì)于低性能要求的任務(wù)，可以使時(shí)鐘頻率降低到足以按預(yù)定時(shí)間完成任務(wù)的最低值，然后使電壓降低到該頻率下工作所需要的最小值就可以節(jié)省大量的能耗。
（6）降低頻率動(dòng)態(tài)功耗正比于頻率，芯片只應(yīng)當(dāng)工作在所要求的頻率下，不能比所要求的還要快。由前面小結(jié)可以，降低頻率還可以采用較低的電源電壓，大大降低功耗。
（7）諧振電路諧振電路通過使能量在儲(chǔ)能元件如電容或電感之間來回傳送而不是將能量泄放到來減小翻轉(zhuǎn)功耗。
1.2短路功耗
短路功耗發(fā)生在當(dāng)輸入發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，上拉和下拉網(wǎng)絡(luò)同時(shí)部分導(dǎo)通的時(shí)候。如果輸入信號(hào)翻轉(zhuǎn)速率比較慢，那這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)將同時(shí)導(dǎo)通較長的一段時(shí)間，短路功耗也會(huì)比較大，增大負(fù)載電容可以減小短路功耗，原因是負(fù)載較大時(shí)，輸出在輸入跳變期間只翻轉(zhuǎn)變化很小的一個(gè)量。
短路電流一般為負(fù)載電流的10%。當(dāng)輸入邊沿變化速度很快時(shí)，短路功耗一般只占翻轉(zhuǎn)功耗的2%-10%。
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