龙芯-2的性能模拟和分析

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1、低功耗设计王传福（学号，E-mail）,吴昊（学号,E-mail）,黄琰（学号,E-mail）时间：2003年10月31日星期五报告人：王传福记录人：吴昊，黄琰指导教师:安虹1概述有关功耗问题引起的设计反复和消费类电子产品屮低功率器件所带来的成本节省的统计资料表明，在今后的ASIC设计中必须更多地考虑功率设计问题。功耗已开始变为造成设计反复的一个重要原因，尽管它引起的反复次数比功能错误引起的少得多。有多种因素促使ASIC和EDA行业向低功耗设计方向发展。低功耗设计可降低功率，无需昂贵的风扇、散热器和陶瓷封装，从而实现较低的成本。此次主要讨论了两篇关于低功耗设计的文章：1、Ener

2、gyAwareSoftware;2>PipelineGatingob而分别对它们进行具体讲述。2EnergyAwareSoftware2.1总结木文提出了一个新概念EnergyAwareSoftwareo这里，作者首先以手持式设备对电池寿命的要求为背景，提出引出这个概念的必要性。由于半导体芯片的功耗和供电电压的平方成正比，和时钟频率也成止比。因此，常用的行Z有效的降低功耗的方法就是降低供电电压。在此作者提出了一个简单的、分离了漏电流能量消耗和电路开关能量消耗的能量模熨，并以此为基础估算系统运行某些程序时的能量消耗。在进行了一纟I［实验程序测试后，得到的实验结果和理论预测的误差不超

3、过5%。山此证明通过这种方法预测程序的功耗是切实可行的，从而为嵌入式系统的功耗评估提供了一种手段。这里，所有的测试都是在In®公司的StrongARM处理器一一SA1100平台上进行。此外，作者还提到了常川的降低功耗的另外一种方法,就是在CPU空闲时进入待机或者休眠状态，这样可以极大地降低功耗。但是却引发了另外一个问题：随着供电电压的降低和CPU工作时间的减少，漏电流所产生的功耗在整个系统功耗中占的比例越來越大。为了突出漏电流的能量消耗在整个系统能量消耗中的比重，作者提出了一•个关于整个漏电流的严格的数学模型。并针对此模型进行了人量实验。理论的数学模型和实验数据同时表明，在处理器

4、的极限电压下漏电流消耗所产生的能量消耗占整个系统功耗的10%左右。因此，漏电流产生的功耗将成为低功耗研究的一大课题。2.2讨论的问题（1）ENERGY>POWER和POWERCONSUMPTION的区别ENERGY：能量，在计算机系统中理解为消耗电能的多少。POWER：功率，单位时间内消耗电能的多少，即常说的电功率。POWERCONSUPTION：能量消耗，简称能耗，指完成一定任务需要消耗能量的多少。体现出能量/任务的比值的概念，更加关注能量的利川率。（2）功耗带来的影响功耗的增加会带來一系列问题，例如温度升高、电路参数漂移、可靠性下降、芯片封装成本增加，使用散热设备导致的成本增

5、加、电池寿命的缩短等等。（3）功耗优化的几种方法功耗优化方法可以分为几个层次，自下而上分别为电路级、逻辑级、寄存器传输级（register-transferlevel,RTL级）、行为级、算法级和系统级。口前在低层次（电路级和逻辑级）上功耗优化方法的研究已比较成熟，但是在具体实现上还有一些可以改进的地方。而高层次（RTL级、行为级、算法级和系统级）的功耗优化技术正处于研究的热点。下而给出了各个级别进行功耗优化对功耗的改善。从表中可以看出，在算法级进行功耗优化所得到的效果最为明显。因此，低功耗的研究的主要手段应该从算法入手。表1在各个层次进行功耗优化所能达到的效果优化层次所用变换方

6、法功耗改善算法级算法选择儿个数量级行为级并行化几倍RTL级结构变换10%〜15%吋钟控制10%〜90%状态编码■20%工艺无关优化布尔函数分解15%公因了提取15%工艺相关优化工艺映射，晶体管尺寸调整20%版图布局布线20%（引自清华大学学报自然科学版1999年第39卷第5期CMOS集成电路设计中的功耗优化技术）（4）漏电流对功耗的影响半导体门的开关产生的功耗可以通过改进制造工艺，使川新的半导体材料等逐渐减少，但由于半导体自身固有的特性，其漏电流始终无法避免，虽然随着技术的不断发展，它也会逐渐减小，但是其在系统功耗中所占的比例将会逐渐上升。它将成为将来电子设备的主要功耗Z-o（5

7、）漏电流的绝对人小和相对人小（卩g-卩厂卩加-Y化(3)where(4)随着供电电床的升高，漏电流是呈指数阶增长的，这也意味着它随着电压降低减小的很快，但是它在整个系统的功耗中占的比例却越来越大，这吋存在的问题是，我们应该关注的是它的的相对大小，即它在整个系统的功耗中所占的比例。下图给出了在不同供电电压下，漏电流在全部电流中所占的比例。15。直3HMPKrlo1.11-2SupplyVctageiV：(6)进一步的工作下一步需要研究的是在降低系统功耗的同时，如何提高能源的利丿IJ