微處理器的低功耗芯片設(shè)計技術(shù)詳解

隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展和芯片工作頻率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又將導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已經(jīng)成為深亞微米集成電路設(shè)計中的一個重要考慮因素。為了使產(chǎn)品更具競爭力，工業(yè)界對芯片設(shè)計的要求已從單純追求高性能、小面積轉(zhuǎn)為對性能、面積、功耗的綜合要求。而微處理器作為數(shù)字系統(tǒng)的核心部件，其低功耗設(shè)計對降低整個系統(tǒng)的功耗具有重要的意義。

　　本文首先介紹了微處理器的功耗來源，重點介紹了常用的低功耗設(shè)計技術(shù)，并對今后低功耗微處理器設(shè)計的研究方向進行了展望。

　　1 微處理器的功耗來源

　　研究微處理器的低功耗設(shè)計技術(shù)，首先必須了解它的功耗來源。高層次仿真得出的結(jié)論如圖1所示。

　　從圖1中可以看出，時鐘單元(Clock)功耗最高，因為時鐘單元有時鐘發(fā)生器、時鐘驅(qū)動、時鐘樹和鐘控單元的時鐘負載;數(shù)據(jù)通路(Datapath)是僅次于時鐘單元的部分，其功耗主要來自運算單元、總線和寄存器堆。除了上述兩部分，還有存儲單元(Memory)，控制部分和輸入/輸出 (Control，I/O)。存儲單元的功耗與容量相關(guān)。

　　如圖2所示，CMOS電路功耗主要由3部分組成：電路電容充放電引起的動態(tài)功耗，結(jié)反偏時漏電流引起的功耗和短路電流引起的功耗。其中，動態(tài)功耗是最主要的，占了總功耗的90%以上，表達式如下：

　　式中：f為時鐘頻率，C1為節(jié)點電容，α為節(jié)點的翻轉(zhuǎn)概率，Vdd為工作電壓。