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发布时间:2026-02-26 03:08:29 人气:
97国际-至尊品牌,源于信誉-在智能表计、个人可穿戴设备、家庭医疗、智慧家居、远程测控、无线传感等许多依靠电池供电的移动设备中,设备续航时间是一个非常重要的性能指标,这对芯片低功耗设计提出了很大的挑战。这里,结合多年的低功耗芯片设计经验,把一些理念和方法,分享给大家。
大家都知道芯片功耗的主要来源包括两方面,一方面是动态功耗,另一方面是静态功耗。
开关功耗是指逻辑电路在工作时给负载电容充放电所产生的功耗,计算公式为:P=C·V2·f
其中,C为逻辑电路负载电容,V为逻辑电路工作电压,f为逻辑电路工作频率。
由此可知,动态功耗和负载电容、工作电压的平方以及工作频率成正比,换言之,可以通过,改变负载电容、工作电压、以及工作频率来改变动态功耗。
短路功耗是指逻辑电路在翻转过程中造成的瞬态短路所产生的功耗,计算公式为:P= t·V·I·f
其中,t为逻辑电路短路时间,V为逻辑电路工作电压,I为逻辑电路短路工作电流,f为逻辑电路工作频率。
再来看一下静态功耗,静态功耗是指由于逻辑电路中漏电电流所产生的功耗,漏电电流计算公式为:
这里Vth、Cox、W/L都和芯片生产有关,不可以调整,Vt指的是阈值电压。可以看到,阈值电压越高漏电电流就越低,但是由于阈值电压高,对应的信号翻转速度就会变慢,导致逻辑电路工作频率低,因此要做好逻辑电路工作频率和漏电电流平衡。由于静态功耗是逻辑电路没有信号跳变时电路的功耗,所以它与动态功耗的本质不同是,它和频率无关,所以降频对静态功耗没有任何影响。同时漏电电流与温度成指数关系,当温度越高时,温度的影响越大。某些工艺下,90度升至100度变化时,漏电电流可成十倍以上关系,漏电电流暴增,导致温度进一步升高,形成恶性循环,甚至导致芯片功能失效或烧毁。另外,随着芯片工艺制程越来越先进,静态功耗在整个芯片功耗的占比越来越大。
根据上面分析的芯片功耗来源,我们目前设计领域里降低芯片功耗的技术手段主要有:
从上面功耗分析知道,降低逻辑电路工作电压可有效降低芯片功耗。在芯片内部设计LDO电路,为逻辑电路提供稳定的较低的工作电压,比如芯片供电3.0V,但是LDO输出到逻辑电路的工作电压为1.08V。
电压降低了,功耗确实可以减小,但是如果将不用的逻辑电路电源关闭,那将会使功耗降到最低,所以,在实际的实现中,可使用可关断电源的方式,来关断某个区域或者某个层级的逻辑电路,从而来降低整体功耗。电源关闭后,逻辑电路的动态功耗和静态功耗都最低。
从上面功耗分析知道,降低逻辑电路工作频率可以有效降低逻辑电路的动态功耗。因此逻辑电路可以分多种工作模式,正常工作模式、低功耗工作模式、STOP工作模式。正常工作模式,逻辑电路用高频时钟工作,且根据性能要求,可以对高频时钟进行预分频。低功耗工作模式,逻辑电路用低频时钟工作。STOP工作模式,逻辑电路高低频时钟都停止工作。
外设电路的工作时钟加控制逻辑,当外设电路启动时,开启外设的输入时钟,否则,关断外设的输入时钟以便节省外设的动态功耗。
综合工具也会自动插入clock gating,把原有的data上的通用逻辑加以整合,挂到了clock gating的EN控制端。
在开启的外设中,暂时没有使用的逻辑电路输入尽量不翻转。比如未启动加法器时,加法器的输入固定为0或者1,以便节省外设的动态功耗。
从漏电电流计算公式可以看到, Vt越高漏电电流越小,从而导致静态功耗越小。比如芯片生产工厂的高密度标准单元库提供了HVT、SVT和LVT三种标准单元库,综合过程中,应该优先使用HVT的标准单元库,如果逻辑单元不满足工作频率要求,再混合使用HVT和SVT标准单元库。综合时尽量不要使用LVT标准单元库,LVT标准单元只是供后端修timing时少量使用。
减少fanout 和transition可以使逻辑电路上升时间和下降时间尽量短,从而使逻辑电路短路时间尽量小从而有效降低逻辑电路短路功耗。在综合时可以设置最大fanout 和最大transition的综合约束。
功耗会影响芯片电路性能、散热和可靠性等问题,目前已成为芯片设计中非常重要的因素。随着芯片制造工艺、系统集成和软件开发的不断完善,芯片低功耗设计也会不断发展进步。
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本文由Vicky转载自琻捷电子SENASIC公众号,原文标题为:琻捷话题 浅谈芯片低功耗设计,本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。
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