低功耗方法在soc芯片设计中的应用

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1、低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用低功耗方法在SoC芯片设计中的应用厂—————————————————————————————————————————————]●’’L设计叫低功耗方法在SoC芯片设计中的应用马芝(深圳市嵌入式系统设计重点实

2、验室深圳集成电路设计产业化基地管理中心)摘要:s0c芯片设计在集成电路设计中占据重要位置,低功耗设计是SoC设计过程中的重要环节.本文首先全面分析了CMOS电路的功耗组成和功耗估计的相关理论,随后从各个设计层次详细分析了SOC芯片低功耗设计的理论及其实现方法.关键词:低功耗;SoC;CMOS;功耗估计;TheApplicationofLow-PowerMethodsinSoCDesignAbstract:SOCdesignoccupiesanimportantpositioninICdesignmarket.

3、Thelow—powerdesignisanimportantpartinSoCdesignprocess.ThispaperfirstlygivesacomprehensiveanalysisofthecomposedofCMOScircuitpower consumptionandtherelatedtheoryofpowerestimation,thenanalyzestheSoClow—powerdesigntheoryofvariousdesignlevelsindetail.’Keywords:l

4、ow-power,SoC,CMOS,powerestimation1引言随着工艺水平的不断发展,集成电路设计已经进入超深亚微米(DeepSub—Micron,DSM)和纳米的SoC时代,设计规模越来越大,单一SoC芯片的集成度已经达到了上亿门.在之前的集成电路设计中,设计者首要关心的芯片性能往往是面积与速度,然后才是功耗.到了深亚微米阶段,功耗设计在芯片设计中所占的比重开始上升到与面积和速度同等重要的程度,设计人员需从功耗,性能和成本j=三者之间取得折衷.据统计数据分析,目前市场上的一些功能强大的微处理器芯片

5、功耗可达100—150W,平均功耗密度可达50—75W/cm:.而芯片上某些热点(hotspots)的功耗更是数倍于这一数值.OS电路的特点人手讨论数字集成电路的功耗组成.Vin2.1功耗组成SoC中的功耗大致可分为个部分,即处理器功耗,通讯功耗以及存储器功耗.处理器功耗和通讯功耗又可统称为逻辑电路功耗.CMOS逻辑电路功耗主要有两部分组成,即动态功耗与静态功耗.动态功耗是指当芯片处于激活(active)状态时,也即信号发生跳变时的功耗;静态功耗是指芯片处于未激活状态或者说没有信号的跳变时的功耗.2.2动态功

6、耗在CMOS电路中,动态功耗主要由交流开关功耗和直流开关功耗两部分组成.交流开关功耗又称为负载电容功耗,是指电路对负载电容充放电形成电流所引起的功耗;直流开关功耗又称短路功耗,是指输出电压变化时由PMOS管和NMOS管在同一时间导通产生的瞬态电流所引起的功耗.2.2.1交流开关功耗交流开关功耗由门的输出电容充放电形成,是CMOS电路动态功耗的首要来源.以CMOS反相器为例,设电源电压为,输出端负载电容为cf_.当输入信号电平分别由高向低或由低向高转换时,对应输出端情况分别为对电容CL的充放电,从而形成了交流开

7、关功耗,如图1所示.交流开关功耗表示如下.=CLWJ式中,为节点的翻转概率,f为电路时钟频率.2.2.2直流开关功耗由于在实际电路中,输入信号的跳变过程总是需要一定的时间,因此当输入电压落到和lI的区间内时(vTo和分别为NMOS管和图1CMOS反相器的交流开关功耗PMOS管的阈值电压),两管会同时处于导通状态,从而在电源与地之间产生了一条电流通路.由此短路电流产生的功耗就叫做直流开关功耗,也称为短路功耗,如图2所示.--—厂Vin图2CMOS反相器的直流开关功耗2.3静态功耗静态功耗主要是指泄漏电流所引起

8、的功耗,又称泄漏功耗.CMOS电路中主要存在有四种泄漏电流:亚阈值泄漏电流(I),栅泄漏电流(IGm),门栅感应漏极泄漏电流(Im)以及反偏结泄漏电流(IBEX’).芯片的静态功耗就是由总的泄漏电流引起的功耗之和.可表示为:1P=V(+++j肛)短路功耗和静态泄漏功耗在深亚微米工艺下占总功耗的比例很小,基本达到可以忽略的程度,此时开关功耗是主要因素.然而,随着工艺技术发展到纳米工艺水平时,泄漏电流造