[问答]

怎样实现芯片低功耗的设计？

1162 功耗

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 功耗的来源有哪些？怎样实现芯片低功耗的设计？ 0
2021-9-28 06:43:35　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × elecfans 该类别下有 7 个回答。邀请回答 heks 该类别下有 7 个回答。邀请回答 szj0213 该类别下有 6 个回答。邀请回答 60user103 该类别下有 6 个回答。邀请回答细水爱长流该类别下有 6 个回答。邀请回答 dsgfa 该类别下有 6 个回答。邀请回答深海零下一度1 该类别下有 6 个回答。邀请回答 mingodong 该类别下有 6 个回答。邀请回答 h1654155199.5148 该类别下有 6 个回答。邀请回答 ZQW发烧友该类别下有 6 个回答。邀请回答安立路该类别下有 6 个回答。邀请回答国名英雄XXX 该类别下有 6 个回答。邀请回答飞雪9366 该类别下有 6 个回答。邀请回答冰箱洗衣机该类别下有 6 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 6 个回答。邀请回答 lifei639156 该类别下有 6 个回答。邀请回答双11 该类别下有 5 个回答。邀请回答 golabs 该类别下有 5 个回答。邀请回答 dfgsdf 该类别下有 5 个回答。邀请回答 a732538 该类别下有 5 个回答。邀请回答举报刘超相关推荐 • 怎么实现低功耗单芯片高性能音频CODEC的设计？ 1248 • CC2541低功耗模式怎样设置？ 5824 • 请问怎样去设计低功耗存储测试器？ 1492 • 如何实现蓝牙技术的低功耗？ 1852 • 新手求助STM32的低功耗模式是怎样工作的 867 • STM32是如何实现低功耗待机的 1285 • 如何实现数字IC低功耗的设计？ 1034 • 低功耗LDO电源芯片有推荐吗？ 3845 • MCU怎么实现低功耗？ 1023 • CST92F30芯片BLE实现低功耗的步骤 7657 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 众所周知，随着芯片越来越大，功能越来越丰富，以及移动市场的切实需求，低功耗的芯片设计，越来越受到推崇。这里，结合多年的低功耗设计经验，把一些理念和方法，分享给各位。通过一些理论书籍，大家都知道功耗的来源主要分为两种，一种是动态，一种是静态。先来看一下，动态功耗的计算公式为， dynamic power = switching power + internal power switching power 计算公式为：由此可知，动态功耗和频率、关断时的负载电容以及电压的平方成正比，换言之，可以通过，改变频率、负载电容以及电压来改变动态功耗。 internal power 计算公式为这里的tsc指的是NMOS/PMOS internal短路的时间。Ipeak指的是整个短路电流和导通电流的总和。在实际的std-cell library里，工具使用了一个简化的查找表方式来处理internal-power，示例如下 P = func（input_transition, input_pin_condition, output_capacitance) 漏电功耗（leakage power）的计算模型对应的漏电电流计算公式是：这里的Vth， CoxW/L都是工艺相关，不可以调整，Vgs就是VDD，Vt指的是阈值电压。可以看到，阈值电压越高漏电功耗就越低，但是由于工艺复杂的增加，阈值电压越高的器件，对应的翻转速度就会变慢，导致影响性能基于以上的理论，可以推导出下表：下边就一起来看一下，目前的设计领域里边流行的那些降低功耗的技术手段吧。 clock gating 这个是一个在综合器里非常常用，也很通用的手段，一些细节的讨论可以参见以下链接文章Clock Gating之浅见总而言之，clock gating不但可以优化动态功耗，同时还可以优化面积（具有漏电功耗提高的可能），这里也有一些别的数据作为参考 … reports an area reduction of 20% and a power savings of 34% to 43% depending on the operating mode 综合工具在自动插入clock gating的时候，把原有的data上的通用逻辑加以整合，挂到了clock 的EN控制端，这样就可以大幅度的节省面积，尤其是在多位宽的总线。反言之，在非常窄的总线上，clock-gating在面积和功耗上不一定会有效果，譬如小于三位的总线。工艺演进随着晶体管的尺寸越来越小，三极管导通所需要的电压也就越来越小了，从上边的表哥里边可以看到，降低电压，可以有效改变动态功耗的处境。从40/28nm的0.99v到现在7nm的0.7v，通过改变工艺都可以有效降低动态功耗。相反，对于相同尺寸的die，工艺的提高预示着可以放置更多的管子。芯片的功耗随着工艺的提高，呈现出整体放大的趋势，尤其是漏电功耗，如下图先进工艺的性能和速度大幅度提高，追击先进工艺是大势所趋，但是相应的，现代芯片的功耗挑战，会比以往来得更猛烈。 power gating （可关断电源）电压降低了，动态功耗确实可以变小，但是Vdd和Vth的差值会变得更小，Vth （阈值电压：MOS导通时所需要的的电压）更不可能一直毫无代价降低，所以，在实际的实现中，使用Switchable Power domain的方式，来整体关断某个或者某个区域、层级的器件，从而来降低整体静态功耗。这个实现电源控制的器件，就叫做power gating。原理很简单，就是在当前的std-cell的PG rail上面加一个开关，通过外界信号来控制，从而达到可以std-cell电源的目的仔细想一下，这种结构可以所在std-cell的内部，也可以做在power rail上，前者通常被叫做fine gating，后者会被称作coarse gating。第一种的设计效果更好，甚至可以具体到某一个std-cell的电源开关控制，但是std-cell面积会变大。第二种，显而易见，如果使用在rail上，精细度会变差，但是，面积会很有优势，具体的实现方法也会简化。具体的比较如下表：结合实际，在正常的使用中，并非所有的std-cell都需要单独控制，大部分都是一个功能模块的整体调配，所以现在很多设计里边都会使用coarse gating而非fine gating的实现方法（如果真的使用fine gating，不知道后端实现工程师会不会咬人）模块关断的方法可以大幅度降低leakage，但是也会带来一些新的挑战，主要是后端实现的时候：isolation，power switch 以及PG route都会有很大的变化。除此之外，前端的low power仿真也需要格外注意，如果某些scenario没有考虑好，核心模块在不期望的时候被关断，那么会引起系统性问题的。具体加下表：动态电压和频率调节（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）和自适应电压调节Adaptive Voltage Scaling (AVS) 在当下，为了节省功耗，各位工程师也是拼了。在后端实现的不断调整和改变的同时，前端的TX们也没有闲着。DVFS就是一个基于设计，功能原理的有效降低功耗的一个典型方案。在芯片的实际使用中，真实的使用场景会比较复杂，就拿手机而言，譬如用户待机的时候，只需要网络连接可能就足够了听歌的时候可能是不需要屏幕的支持用户在拍照的时候网络的功能需求也不是很强烈当你玩游戏的时候，CPU可能就要调度所有的硬件来支持游戏的流程运行，通过不同的场景，芯片基于用户需求来适当的调度各个功能的使用和性能调节这个示例是一个UART的构造框图，基于这样的一个逻辑架构，规划出不同的使用场景，从而可以展现出不同场景下面所需要的电压和频率。最后可以定义出一个类似上边的一个表格，在系统判断出不同的使用场景后，就会配置出不同的电压和频率值，从而达到不同场景下的功耗优化的可能，这也就是常说的DVFS，类似于一种对于预定义场景的一种查找表的操作。 AVS是在DVFS上边更为先进的一种调整方式，框图如下：和DVFS的简单查找表不同，这里会在系统里边集成一个PM(Performance Monitor)，对于系统的运行进行实时监控，通过判断，动态的调整电压和频率，这里可以引入一些自学习的功能，从而根据不同用户的使用习惯，来提供更为细致的自定制服务。可以设想，愈发细致的个性化服务，加之自学习的预判功能，都可以进一步的提高电源功耗的优化。

2021-9-28 16:31:48 评论举报苏宇樵