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在學(xué)習(xí)低功耗設(shè)計?看看如何解決寄存器傳輸功耗問題

jf_pJlTbmA9 ? 來源:jf_pJlTbmA9 ? 作者:jf_pJlTbmA9 ? 2023-07-23 15:38 ? 次閱讀
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器件中的高功耗雖然是可以容忍的,但是在設(shè)計過程中,我們往往都在追求低功耗實現(xiàn)。上篇文章中,小編對MCU的低功耗設(shè)計有所解讀。為增進大家對功耗的了解程度,本文將對寄存器傳輸級低功耗設(shè)計方法予以介紹。

除了芯片的速度和面積等,人們對低功耗的期望也越來越高,因而在IC設(shè)計中加入低功耗設(shè)計非常必要。寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計對降低整個芯片的功耗作用非常顯著,本文討論的三種寄存器傳輸級低功耗設(shè)計方法,經(jīng)驗證對動態(tài)功耗的降低很有效。

集成電路問世以來,設(shè)計者在單個芯片上集成的晶體管的數(shù)量呈現(xiàn)出令人驚訝的增長速度。近30年,集成電路的發(fā)展一直遵循著“摩爾定律”:集成在芯片上的晶體管的數(shù)量每18個月就翻一番,芯片成本也相應(yīng)下降。

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圖1:CMOS電路功耗的主要來源是動態(tài)功耗,由開關(guān)電流和短路電流造成。

半導(dǎo)體工藝水平不斷進步的同時,以電池供電的手持設(shè)備和膝上電腦也迅速普及,系統(tǒng)的功耗有時已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計首要考慮的因素,因此,低功耗設(shè)計成為發(fā)展移動系統(tǒng)必然要解決的問題。

集成電路的低功耗設(shè)計分為系統(tǒng)級、寄存器傳輸級、門級、電路級四個層次,而在這其中,寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計對優(yōu)化整個系統(tǒng)功耗的貢獻達到20%-50%,這是非常巨大的比例。因而,在寄存器傳輸級進行低功耗設(shè)計是非常值得,也是很有必要的。

集成電路中功耗的來源

目前,CMOS工藝在集成電路特別是數(shù)字IC中應(yīng)用得很普遍。由于CMOS電路在輸入穩(wěn)定的時候總有一個管子截止,所以它的靜態(tài)功耗在理想情況下應(yīng)該是零,但這并不代表靜態(tài)功耗真的為零,實際上CMOS電路的靜態(tài)功耗就是指電路中的漏電流(這里不考慮亞閾值電流)。

CMOS電路功耗的主要來源是動態(tài)功耗,它由兩部分組成:開關(guān)電流和短路電流。

所以,整個CMOS電路的功耗為:其中,PTurn是開關(guān)電流ITurn產(chǎn)生的動態(tài)功耗;Pshort是動態(tài)情況下P管和N管同時導(dǎo)通時的短路電流Ishort產(chǎn)生的動態(tài)功耗;而Pleakage 是由擴散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流Ileakage產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。如圖1所示。

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圖2a:傳統(tǒng)的設(shè)計。圖2b:增加了門控時鐘的設(shè)計。

在這三項中PTurn大約占電路功耗的80% ,因而這里就只考慮開關(guān)電流ITurn所產(chǎn)生的動態(tài)功耗PTurn。ITurn是這樣產(chǎn)生的:在CMOS電路,當(dāng)輸入為“0”時,PMOS導(dǎo)通,電源通過PMOS向負(fù)載電容充電;而當(dāng)電路輸入為“1” 時,負(fù)載電容又會通過NMOS向地放電。ITurn就是不斷對負(fù)載電容充放電所產(chǎn)生的開關(guān)電流。

一個CMOS反相器由開關(guān)電流引起的平均動態(tài)功耗是:PTurn=CLVDD2f其中,CL是負(fù)載電容,VDD是電路的電壓,f是時鐘頻率。所以,要想降低電路的功耗就應(yīng)該降低電路的電壓和頻率。

寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計

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圖3a:最基本的加法器設(shè)計。圖3b:采用操作數(shù)隔離方法設(shè)計的加法器。

寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計方法有很多種,本文只列舉三種最為常用的設(shè)計方法:門時鐘、操作數(shù)隔離及存儲器分區(qū)訪問。

1.門控時鐘


從上面的討論知道,CMOS電路的功耗是和頻率有著密切關(guān)系的,因此動態(tài)的關(guān)閉處于空閑狀態(tài)的時鐘具有明顯的節(jié)電效果。

圖2a是傳統(tǒng)的設(shè)計:系統(tǒng)的時鐘直接接到D觸發(fā)器的時鐘輸入端,不管什么情況,只要輸入的Clock翻轉(zhuǎn),觸發(fā)器就會工作,整個系統(tǒng)也一直不斷的運行。而圖2b是增加了門控時鐘的設(shè)計:當(dāng)系統(tǒng)正常工作時,譯碼出來的En信號為高,則觸發(fā)器可以正常鎖存數(shù)據(jù);當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時,把En信號清零,這樣,由于給觸發(fā)器的Clock一直保持零,不會發(fā)生翻轉(zhuǎn),所以觸發(fā)器不會鎖存新的數(shù)據(jù),整個系統(tǒng)被掛起,系統(tǒng)將進入低功耗模式。

在電路中加入門控時鐘很容易,可以用Verilog直接在描述中加入,也可以通過Synopsys的工具PowerCompile自動加入。通過加入門控時鐘,系統(tǒng)可以有選擇的停止不相關(guān)模塊的時鐘,以最大程度的節(jié)省動態(tài)功耗。

2.操作數(shù)隔離

這種方法主要是對系統(tǒng)中的算術(shù)、邏輯運算模塊進行低功耗設(shè)計,其主要思想就是:在不進行算術(shù)、邏輯運算的時候,使這些模塊的輸入保持“0”,不讓操作數(shù)進來,輸出結(jié)果不會翻轉(zhuǎn);而如果進行這方面的運算時,再將它們打開。

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圖4:存儲器分塊訪問實例。

這種方法在很多人看來是理所當(dāng)然的,認(rèn)為就應(yīng)該是這樣設(shè)計。然而在實際中,設(shè)計者一方面關(guān)心模塊的功能,另一方面迫于設(shè)計時間的壓力,所以很多設(shè)計中的細(xì)節(jié)沒有考慮。如圖3a,一個加法器的兩個輸入端沒有經(jīng)過任何邏輯直接進入加法器,系統(tǒng)不管是否需要加法運算,加法器都一直工作著,輸出不斷翻轉(zhuǎn)著,這對系統(tǒng)的動態(tài)功耗是很大的浪費,而且數(shù)據(jù)總線越寬浪費的功耗越多;圖3b 則用操作數(shù)隔離的方法進行設(shè)計:當(dāng)系統(tǒng)不需要加法運算的時候,Adder_en信號為“0”,則加法器的兩個輸入端都保持“0”, 其輸出不會發(fā)生任何翻轉(zhuǎn),不會產(chǎn)生動態(tài)功耗,而如果需要進行加法運算時,Adder_en變成“1”,加法器正常工作。

當(dāng)對系統(tǒng)里所有的算術(shù)、邏輯運算單元都用上這種方法必然會對系統(tǒng)的動態(tài)功耗有很大的優(yōu)化,在芯片面積方面,如圖3b所示的,所增加的邏輯僅僅是幾個多路器而已。

3.存儲器分塊訪問

一個系統(tǒng)里少不了存儲器,存儲器的功耗在整個系統(tǒng)里所占的比例不可忽視。因而降低存儲器的功耗,對于整個芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化很有幫助。

這里提出一種叫做存儲器分塊訪問的方法來降低存儲器的功耗。主要思想是:將系統(tǒng)所需要一定容量的存儲器分成兩塊,然后用高位地址線進行片選譯碼。結(jié)合下面的實例:

假設(shè)一個系統(tǒng)需要128K的RAM,如圖4所示,我們選用兩塊64KB的RAM。CPU給出了17位地址線,其中低16位地址線直接提供給兩個RAM,最高位地址線接到下面RAM的片選端CS,而這根地址線經(jīng)過一個反相器接到另一個RAM的片選端。通過這種方法,不管從CPU 出來的什么樣的地址,則每次只會選中一個64KB的RAM。如果采用單塊128KB的RAM,則每次都要選中一塊128KB的RAM。眾所周知,一塊64KB RAM的功耗要遠小于一塊128KB RAM的功耗。這樣從存儲器這一方面,又為系統(tǒng)節(jié)省了功耗。

功耗和面積永遠是相矛盾的,如果想要降低系統(tǒng)的功耗,必然要加上一些控制邏輯來進行功耗優(yōu)化,而這部分邏輯會增加芯片的面積,所以在功耗和面積之間就要有個折衷。上面的三種寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計,不會增加很多邏輯,因而對芯片面積的影響不大。而經(jīng)過了這三種低功耗設(shè)計,使整個系統(tǒng)動態(tài)功耗的改善很明顯。例如,使用功耗仿真工具powermill對一款SIM卡芯片設(shè)計進行管級功耗仿真,這里采用的是華杰的0.25um的標(biāo)準(zhǔn)單元庫,表1是優(yōu)化前后功耗及芯片面積的對比。

可以看到,經(jīng)過低功耗設(shè)計后的芯片平均動態(tài)電流比優(yōu)化前降了16%,然而優(yōu)化前后芯片的面積沒有發(fā)生改變,因而,上面的三種設(shè)計方法對于降低系統(tǒng)動態(tài)功耗是非常有效的。

審核編輯:湯梓紅

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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