SoC系統(tǒng)的低功耗設(shè)計

關(guān)鍵詞：VLSI SoC CMOS集成電路 低功耗設(shè)計

引言

從20世紀(jì)80年代初到90年代初的10年里，微電子領(lǐng)域的很多研究工作都集中到了數(shù)字系統(tǒng)速度的提高上，現(xiàn)如今的技術(shù)擁有的計算能力能夠使強大的個人工作站、復(fù)雜實時語音和圖像識別的多媒體計算機的實現(xiàn)成為可能。高速的計算能力對于百姓大眾來說是觸指可及的，不像早些年代那樣只為少數(shù)人服務(wù)。另外，用戶希望在任何地方都能訪問到這種計算能力，而不是被一個有線的物理網(wǎng)絡(luò)所束縛。便攜能力對產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗加上嚴(yán)格的要求。由于傳統(tǒng)的鎳鉻電池每磅僅能提供20W.h的能量，因而功耗就變得尤為重要。電池技術(shù)正在改進，每5年最大能將電池的性能提高30%，然而其不可能在短期內(nèi)顯著地解決現(xiàn)在正遇到的功耗問題。

雖然傳統(tǒng)可便攜數(shù)字應(yīng)用的支柱技術(shù)已經(jīng)成功地用于低功耗、低性能的產(chǎn)品上，諸如電子手表、袖珍計算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便攜的應(yīng)用一直在增長。例如，筆記本計算機就代表了計算機工業(yè)里增長最快的部分。它們要求與桌上計算機一樣具有同樣的計算能力。同樣的要求在個人通信領(lǐng)域也正在迅速地發(fā)展，如采用了復(fù)雜語音編解碼算法和無線電調(diào)制解調(diào)器的帶袖珍通信終端的新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)。已提出的未來個人通信服務(wù)PCS（Personal Communication Services）應(yīng)用對這些要求尤其明顯，通用可便攜多媒體服務(wù)是要支持完整的數(shù)字語音和圖像辨別處理的。在這些應(yīng)用中，不僅語音，而且數(shù)據(jù)也要能在無線鏈路上傳輸。這就為實現(xiàn)任何人在任何地方的任何時間開展任何想要的業(yè)務(wù)提供了可能。但是，花在對語音、圖像的壓縮和解壓上的功耗就必須附加在這些可便攜的終端上。確實，可便攜能力已經(jīng)不再明顯地和低性能聯(lián)系在一起了；相反，高性能且可便攜的應(yīng)用正在逐步得到實現(xiàn)。

當(dāng)功率可以在非便攜環(huán)境中獲得時，低功耗設(shè)計的總理也變得十分關(guān)鍵。直到現(xiàn)在，由于大的封裝、散熱片和風(fēng)扇能夠輕而易舉地散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱，其功耗還未引起多大的重視。然而，隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加，要提供充分的散熱能力就必須付出重要代價，或使所提供的總體功能達到極限時，設(shè)計高性能、低功耗數(shù)字系統(tǒng)方法的需求就會變得更為顯著。幸好，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)來克服這些矛盾。

由于可以高度集成，并具有低功耗、輸入電流小、連接方便和具有比例性等性質(zhì)，CMOS邏輯電路被認(rèn)為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術(shù)。下面研究CMOS集成電路的功耗組成，概述實現(xiàn)集成電路――SoC（System on Chip）系統(tǒng)的低功耗設(shè)計的諸多方法。目的在于揭示當(dāng)今電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、速度和其功耗的內(nèi)在聯(lián)系，在及在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計方向上潛在的啟示。

1 CMOS集成電路功耗的物理源

要研究SoC的低功耗設(shè)計，首先要物理層次上弄清該集成電路的功耗組成，其次，才能從物理實現(xiàn)到系統(tǒng)實現(xiàn)上采用各種方法來節(jié)省功耗，達到低功耗設(shè)計的目的。圖1為典型CMOS數(shù)字電路的功耗物理組成。

（1）動態(tài)功耗

動態(tài)功耗是由電路中的電容引起的。設(shè)C為CMOS電路的電容，電容值為PMOS管從0狀態(tài)到H狀態(tài)所需的電壓與電量的比值。以一個反相器為例，當(dāng)該電壓為Vdd時，從0到H狀態(tài)變化（輸入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存儲在電容之中，另一半的能量擴展在PMOS之中。對于輸出端來說，它從H到0過程中，不需要Vdd的充電，但是在NMOS下拉的過程中，會把電容存儲的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次時鐘變化時都變化一次，則所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每個時鐘跳變過程之中，所有的CMOS電容都會進行一次轉(zhuǎn)換（除了時鐘緩沖器），所以最后要再加上一個概率因子a。電路活動因子a代表的是，在平均時間內(nèi)，一個節(jié)點之中，每個時鐘周期之內(nèi)，這個節(jié)點所變化的幾率。最終得到的功耗表達式為：Psw=aCVdd2f。

（2）內(nèi)部短路功耗

CMOS電路中，如果條件VtnVinVdd-|Vtp|（其中Vtn是NMOS的門限電壓，Vtp是PMOS的門限電壓）成立，這時在Vdd到地之間的NMOS和PMOS就會同時打開，產(chǎn)生短路電流。在門的輸入端上升或者下降的時間比其輸出端的上升或者下降時間快的時候，短路電流現(xiàn)象會更為明顯。為了減少平均的短路電路，應(yīng)盡量保持輸入和輸出在同一個沿上。

一般來說，內(nèi)部短路電流功耗不會超過動態(tài)功耗的10%。而且，如果在一個節(jié)點上，VddVtn+|Vtp|的時候，短路電流會被消除掉。

（3）靜態(tài)漏電功耗

靜態(tài)漏電掉的是二極管在反向加電時，晶體管內(nèi)出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象。在MOS管中，主要指的是從襯底的注入效應(yīng)和亞門限效應(yīng)。這些與工藝有關(guān)，而且漏電所造成的功耗很小，不是考慮的重點。

表1為CMOS集成電路中主要的耗電類型。

表1 CMOS集成電路中主要的耗電類型

（4）小結(jié)

通過設(shè)計工藝技術(shù)的改善，Pint和Pleak能被減小到可以忽略的程度，因而Psw也就成為功耗的主要因素。后面所做的功耗優(yōu)化大部分是圍繞這一個公式來進行的。對于SoC來說，所有的方法都是圍繞著動態(tài)功耗來做文章的，因為在電路信號變化時，功耗消耗主要在電路中電容的充放電過程。如果從各個層次、各個方面盡量減少電路的充放電，將是我們關(guān)心的主題。

2 降低集成電路SoC功耗的方法

功耗對于一個便攜式SoC數(shù)字系統(tǒng)來說尤為重要。事實上，很多便攜式SoC系統(tǒng)的設(shè)計，是先進行功耗分析，由功耗分析的結(jié)果再來劃分設(shè)計結(jié)構(gòu)。可以說，功耗將可能決定一切?，F(xiàn)在要做的是，根據(jù)功耗分析的結(jié)果，評判SoC結(jié)構(gòu)，改進設(shè)計，優(yōu)化方案。

SoC系統(tǒng)的功耗所涉及的內(nèi)容十分廣泛，從物理實現(xiàn)到系統(tǒng)實現(xiàn)都可以采用各種方法來節(jié)省和優(yōu)化功耗。通過對國外大量文獻的查閱，我們得到了常用的實現(xiàn)低功耗設(shè)計的各種較為有效的方法，如表2所列。

表2 常用實現(xiàn)低功耗的各種方法

（1）系統(tǒng)級功耗管理

這一部分實際上是動態(tài)功耗管理。主要做法是在沒有操作的時候（也就是在SoC處于空閑狀態(tài)的時候），使SoC運作于睡眠狀態(tài)（只有部分設(shè)備處于工作之中）；在預(yù)設(shè)時間來臨的時候，會產(chǎn)生一個中斷。由這個中斷喚醒其它設(shè)備。實際上，這一部分需要硬件的支持，如判斷，周期性的開、關(guān)門控時鐘（gate clock）等。

（2）軟件代碼優(yōu)化

軟件代碼優(yōu)化是針對ARM嵌入式處理器而言的。對于編譯器來說，所起的使用不到1%，而對于代碼的優(yōu)化則可以產(chǎn)生高達90%的功耗節(jié)省。Simunic等人曾分別做過用各種針對ARM處理器的編譯器進行的試驗。比此的實驗結(jié)果發(fā)展，風(fēng)格比較好的代碼產(chǎn)生的效果遠(yuǎn)比用ARM編譯器優(yōu)化的效果好。

（3）Clock控制

這是在ASIC設(shè)計中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模塊（它們可能是用于一些特殊用途中，如調(diào)試Debug、程序下載等）是乖于空閑狀態(tài)的，這些器件的空運作會產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這一部分應(yīng)使用時鐘控制，即clock enable disable。

（4）RTL級代碼優(yōu)化

與軟件相似，不同的RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級）代碼，也會產(chǎn)生不同的功耗，而且RTL代碼的影響比軟件代碼產(chǎn)生的影響可能還要大。因為，RTL代碼最終會實現(xiàn)為電路。電路的風(fēng)格和結(jié)構(gòu)會對功耗產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。

RTL級代碼優(yōu)化主要包括：

①對于CPU來說，有效的標(biāo)準(zhǔn)功耗管理有睡眠模式和部分未工作模塊掉電。

②硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括能降低工作電壓Vdd的并行處理、流水線處理以及二者的混合處理。

③降低寄存電容C的片內(nèi)存儲器memory模塊劃分。

④降低活動因子a的信號門控、減少glitch（毛刺）的傳播長度、Glitch活動最小化、FSM（有限狀態(tài)機）狀態(tài)譯碼的優(yōu)化等。

⑤由硬件實現(xiàn)的算法級的功耗優(yōu)化有：流水線和并行處理、Retiming(時序重定)、Unfolding（程序或算法的展開）、Folding(程序或算法的折疊)等等基本方法以及其組合。

（5）后端綜合與布線優(yōu)化

既然SoC的功耗與寄生電容的充放電有很大的關(guān)系，作為后端綜合與布線，同樣也可采取一些措施來減少寄存器電容?？梢詢?yōu)化電路，減少操作（電路的操作），選擇節(jié)能的單元庫，修改信號的相關(guān)關(guān)系，再次綜合減少毛刺的產(chǎn)生概率。

實際上，這一部分與使用的工具有關(guān)。與軟件部分有相同之處，后端綜合與布線同軟件的編譯差不多。軟件編譯的結(jié)果是產(chǎn)生可執(zhí)行的機器代碼；而RTL的綜合與布線是把RTL代碼編譯成真實的電路。但是，后端綜合與布線優(yōu)化比較編譯優(yōu)化有更好的效果。這是因為一段RTL代碼所對應(yīng)的電路是可以有多種形式的；同時現(xiàn)有些編譯器會根據(jù)設(shè)計者提供的波形，智能地修改電路（前提是最終電路的效果還是一樣的），編譯器就會進行相關(guān)的優(yōu)化。但是后端綜合的優(yōu)化與RTL級代碼優(yōu)化和時鐘控制相比，同樣的RTL級與時鐘優(yōu)化所產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于用編譯工具所產(chǎn)生的影響。

（6）功耗的精確計算

后端綜合與布線工具不但可以根據(jù)基本單元提供的功耗參數(shù)進行優(yōu)化，還可以根據(jù)這些參數(shù)估算出整個SoC的功耗。正因為有這樣一些工具，使我們可以精確地知道我們所設(shè)計的是否達到設(shè)計要求。萬一設(shè)計功耗不符合總體要求，則可能要求從系統(tǒng)級到物理綜合布線都要做出檢查與分析，做出可能的改進，盡可能地減少功耗以達到設(shè)計要求。

（7）小結(jié)

從上面的各種降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系統(tǒng)的拉耗優(yōu)化涉及到從物理實現(xiàn)到系統(tǒng)實現(xiàn)的方方面面，是芯片設(shè)計中一個十足的系統(tǒng)工程。可以說，功耗可以決定一切。

結(jié)語

本文首先分析了CMOS集成電路的功耗物理組成，得到了其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分?jǐn)?shù)學(xué)表達式為指導(dǎo)，突出了SoC低功耗設(shè)計的各種級別層次的不同方法。不管是現(xiàn)在還是將來，該領(lǐng)域的重要性將會日益顯著。在下面的一些發(fā)展方向還將會有較大的發(fā)展：

①實現(xiàn)SoC系統(tǒng)設(shè)計的變換以及映射技術(shù)的進一步探索。

②將各種低功耗設(shè)計手段按照各性質(zhì)最佳綜合起來，以便使用基于人工智能的技術(shù)（如遺傳算法和啟發(fā)式算法等等）來研究。

③發(fā)展以實現(xiàn)低功耗為目的CPU指令程序的改寫技術(shù)，以將其擴展到復(fù)雜SoC系統(tǒng)的設(shè)計中。

④進一步研究應(yīng)用于SoC低功耗設(shè)計的編碼和信號表示技術(shù)。

⑤擴展功耗估算模型的數(shù)量以覆蓋所有的SoC系統(tǒng)模式，等等。

隨著便攜式和移動計算要求的進一步增長，集成電路―SoC的低功耗設(shè)計將變成一個越來越重要且必須面臨的問題。它對開發(fā)新型電子產(chǎn)品，其意義重大。