数字IC低功耗设计总结

1、功耗分类：
低功耗按照类型分类，主要有动态功耗、静态功耗、浪涌功耗三种。
（1）动态功耗包括：
开关功耗（翻转功耗）：电平翻转对负载电容进行充放电时消耗的功耗。
短路功耗（内部功耗）：信号翻转时不可能瞬时完成，PMOS和NMOS存在同时导通构成通路，形成短路电流。
（2）静态功耗：
主要是漏电流引起的功耗

2、系统与架构级低功耗设计
（1）多电压设计技术：
不同的模块区域有不同的电压。（各模块电压可固定、可通过软件选择、可自适应改变）
（2）系统时钟分频：
时钟是系统中频率最高的信号，其功耗功之高不容置疑。可在不同的工作模式下选用不同频率的时钟，并且将一些不需要的模块时钟关闭。
（3）算法和IP选择
（4）异步设计：
同步系统中通过时钟树综合、插入缓冲器减少时钟的偏移。这种方法在时钟网络上添加了大量的缓冲器，时钟网络消耗的功耗也增加。
在异步设计里面，不需要全局时钟，两个模块通过握手信号进行交互，这时候就可以减少功耗。可以把一个系统使用多个时钟，每个时钟控制的区域内部都设计成一个同步的子系统。

3、RTL级低功耗设计
（1）门控时钟法：
通常情况下，时钟树由大量的缓冲器和反相器组成，时钟信号为设计中翻转率最高的信号，时钟树的功耗可能高达整个设计功耗30%。加入门控时钟电路后，由于减少了时钟树的开关行为，节省了开关功耗。同时，由于减少了时钟引脚的开关行为，寄存器的内部功耗也减少了。
门控时钟有两种方案:一种直接针对寄存器的时钟进行门控，一种对模块级别的时钟进行门控。

（2）操作数隔离技术：
当某段时间不需要运算器的结果时，把运算器的输入用与门隔离掉，停止其反转。
（3）资源共享与状态编码：

对于设计比较多算术运算的设计，如果有同样的操作在多处使用，那我们可以避免相应的运算逻辑在多个位置重复出现。
共享后：
此外，对于一些变化非常频繁的信号，我们利用数据编码来降低开关活动(例如，用格雷码比用二进制码翻转更少，功耗更低)。

（4）并行与流水的选择：
采用并行处理，可以降低系统工作频率，从而可能降低功耗。

流水线技术可以将一个较长的组合路径分成M级流水线。路径长度缩短为原始路径长度的1 /M。这样，一个时钟周期内充/放电电容变为C/M。在相同的速度要求下，可以采用较低的电源电压来驱动系统。这样，系统的整体功耗可能会降低。

（5）DVFS技术
DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）动态电压频率调节本质上是一种低功耗技术，目的是根据的芯片当时的实际功耗需要设定工作电压和时钟频率，这样可以保证提供的功率既满足要求又不会过剩，从而可以降低功耗。比如数字芯片中，CPU模块（比如8核cpu），在需要跑分的时候，将给cpu供电的电压通过软件调节到更高的电压（overdrive）,获得一个更高的频率。在实际某个应用场景下，可能cpu只需要一个较低的频率时，可以将电压调节成一个较低的电压（underdrive）来实现

一味的降频降压当然是不能降低功耗的，因为低频下运行可能使系统处理任务的时长增加，从而整体上可能反而增加了功耗。所以DVFS的核心是动态调整的策略，其目的是根据当时的系统负载实时调整，从而提供满足当时性能要求的最低功率，也就达到了最低功耗。制定调整策略前，先找出系统中的耗电大户即CPU GPU这些模块。需要统计出这些模块的负载情况，基本的策略当然是工作负载增加则升频升压，工作负载降低则降频降压

参考：https://www.cnblogs.com/IClearner/tag/%E4%BD%8E%E5%8A%9F%E8%80%97%E8%AE%BE%E8%AE%A1/

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