如何利用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成電路（VLSI）的電源完整性？

本文要點(diǎn)

超大規(guī)模集成電路 (Very large scale integration，VLSI) 是一種主流的集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)模式。

芯片尺寸微型化有助于降低單個(gè)晶體管的功耗，但同時(shí)也提高了功率密度。

先進(jìn)封裝的低功耗設(shè)計(jì)趨勢(shì)勢(shì)頭未減，而更新的技術(shù)有助于在不犧牲計(jì)算性能的情況下降低器件的功耗。

如今的集成電路 (IC) 與二十多年前的集成電路有著天壤之別。新一代的芯片面積更小，但集成了盡可能多的功能，采用了先進(jìn)的處理節(jié)點(diǎn)和獨(dú)特的架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的高能效信號(hào)傳輸。摩爾定律所涉及的不僅是晶體管柵極尺寸變小，也涵蓋了低功耗架構(gòu)。

隨著電子產(chǎn)品的尺寸不斷微型化，芯片設(shè)計(jì)人員需要考慮采用新的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。用于數(shù)據(jù)中心、人工智能、視覺(jué)和許多其他應(yīng)用的處理器性能強(qiáng)大，集成的功能也越來(lái)越多，因此預(yù)計(jì) VLSI 設(shè)計(jì)的功率密度也會(huì)增加。低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和新技術(shù)可以應(yīng)對(duì)總功耗增加的挑戰(zhàn)，確保新產(chǎn)品性能可靠，并支持?jǐn)U展到更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

即使采用了低功耗設(shè)計(jì)工藝，GPU 仍會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱

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功耗的主要方面

許多先進(jìn)集成電路（如專(zhuān)用 SoC 和通用處理器）中使用了較新的芯片架構(gòu)，需要在裸片上集成更多的功能，因此需要增加硬件驅(qū)動(dòng)的電源管理功能。實(shí)施低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的目標(biāo)主要是延長(zhǎng)電池壽命（移動(dòng)設(shè)備）、減少發(fā)熱（所有其他設(shè)備）或兩者兼顧（智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備）。VLSI 設(shè)計(jì)中的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)一般在兩個(gè)方面進(jìn)行功耗優(yōu)化：

1.動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗是指工作過(guò)程中消耗的電量。更具體地說(shuō)，動(dòng)態(tài)功耗是在邏輯電路切換狀態(tài)時(shí)，晶體管結(jié)構(gòu)中電容充放電時(shí)消耗的總電量。CMOS 邏輯電路只在開(kāi)關(guān)時(shí)消耗電量，因此減少開(kāi)關(guān)事件的次數(shù)和導(dǎo)通電壓有助于降低設(shè)備的總功耗。

2.靜態(tài)功耗

靜態(tài)功耗是工作電壓和漏電流的乘積。即使晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，也會(huì)有一些電流通過(guò)柵極泄漏，以熱量的形式散失。與早期的雙極設(shè)計(jì)相比，CMOS 芯片架構(gòu)的漏電流更低，但規(guī)模擴(kuò)展給保持低漏電流帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

下圖展示了集成電路在運(yùn)行和睡眠/待機(jī)模式下產(chǎn)生功耗的一些區(qū)域和工作模式：

VLSI 電能耗散和損耗的來(lái)源

降低以上功耗主要針對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，但隨著器件規(guī)模的擴(kuò)大，還需要調(diào)整晶體管和互連的結(jié)構(gòu)。我們?cè)谶@方面取得了一些進(jìn)展，其中最主要的是使用具有高介電常數(shù) (high-k) 的 FinFET，以確保在開(kāi)關(guān)過(guò)程中更完整地調(diào)制到導(dǎo)通狀態(tài)，并通過(guò)單一解決方案降低漏電流。對(duì)于更新的技術(shù)，需要利用類(lèi)似的創(chuàng)新晶體管架構(gòu)和新材料來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展。除了簡(jiǎn)單的架構(gòu)擴(kuò)展外，一些晶片上硬件方法也可用于降低功耗。

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主要的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)

經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，出現(xiàn)了一些解決方案。最初，擴(kuò)展帶來(lái)了更低的功耗和更高的功能密度，但最終，時(shí)鐘擴(kuò)展增加了功率密度，因此亟需新的技術(shù)。如今，集成電路中使用的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括：

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動(dòng)態(tài)電壓縮放

邏輯電平的電壓可根據(jù)需要升高或降低，以控制功耗。降低邏輯電平可降低開(kāi)關(guān)時(shí)的功耗。

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動(dòng)態(tài)頻率縮放

系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)鐘頻率和邊沿速率可根據(jù)需要上下調(diào)節(jié)。

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時(shí)鐘門(mén)控

用于切斷某些邏輯塊的系統(tǒng)時(shí)鐘，防止不處理數(shù)據(jù)的邏輯電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。

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基板偏置控制

與電壓縮放配合使用，控制構(gòu)成邏輯電路的 MOSFET 進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)或飽和區(qū)的閾值。該技術(shù)有時(shí)也稱(chēng)為反向偏置，即在 CMOS 緩沖器的基板區(qū)域施加電壓，以提高或降低邏輯狀態(tài)閾值電壓并減少漏電流。

應(yīng)用這些主動(dòng)縮放機(jī)制時(shí)，并不一定需要修改邏輯電路中晶體管的結(jié)構(gòu)，不過(guò)為此確實(shí)需要添加額外的控制電路，以便根據(jù)某些邏輯條件進(jìn)行縮放。

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新產(chǎn)品可能需要采用獨(dú)特的架構(gòu)

以上列出的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)是設(shè)計(jì)新型專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 的起點(diǎn)，面向人工智能、量子、視覺(jué)/圖形和異構(gòu)集成系統(tǒng)等高級(jí)應(yīng)用。對(duì)于支持上述應(yīng)用的通用處理器，也應(yīng)繼續(xù)使用同樣的技術(shù)。然而，特定應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算工作負(fù)載更高，因此功耗更低的高度專(zhuān)業(yè)化處理器架構(gòu)更加受到青睞。這方面的例子包括：

以最少的邏輯運(yùn)算執(zhí)行高效張量運(yùn)算的 AI 優(yōu)化芯片。

可針對(duì)特定的高計(jì)算工作量對(duì)其邏輯塊進(jìn)行高度定制或并行化的 FPGA。

包含專(zhuān)用 DSP 塊的語(yǔ)音和視覺(jué)處理器。

異構(gòu)集成是將這些功能整合到單一封裝中的一種設(shè)計(jì)模式，迫使半導(dǎo)體電源管理工程師采用系統(tǒng)級(jí)方法進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。

尤其是，人工智能是當(dāng)下的計(jì)算范式，它推動(dòng)了一類(lèi)新型低功耗 ASIC 的高效張量運(yùn)算。為了讓這些先進(jìn)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)低功耗，涉及到的挑戰(zhàn)之一是完全重新設(shè)計(jì)晶體管架構(gòu)，以減少執(zhí)行人工智能工作負(fù)載所需的開(kāi)關(guān)事件數(shù)量和邏輯狀態(tài)變化。最新的設(shè)計(jì)采用單晶體管模擬計(jì)算方法來(lái)實(shí)現(xiàn)片上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完全不需要邏輯塊來(lái)運(yùn)行這些計(jì)算。其他先進(jìn)技術(shù)、材料平臺(tái)和混合信號(hào)設(shè)計(jì)方法可在專(zhuān)用集成電路和通用處理器中實(shí)現(xiàn)，因而可以隨著功能密度的提高，繼續(xù)推動(dòng)低功耗計(jì)算。

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