寄存器傳輸級低功耗設(shè)計方法

　　除了芯片的速度和面積等，人們對低功耗的期望也越來越高，因而在IC設(shè)計中加入低功耗設(shè)計非常必要。寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計對降低整個芯片的功耗作用非常顯著，本文討論的三種寄存器傳輸級低功耗設(shè)計方法，經(jīng)驗證對動態(tài)功耗的降低很有效。

　　自集成電路問世以來，設(shè)計者在單個芯片上集成的晶體管的數(shù)量呈現(xiàn)出令人驚訝的增長速度。近30年，集成電路的發(fā)展一直遵循著“摩爾定律”：集成在芯片上的晶體管的數(shù)量每18個月就翻一番，芯片成本也相應(yīng)下降。

　　圖1：CMOS電路功耗的主要來源是動態(tài)功耗，由開關(guān)電流和短路電流造成。

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　　在半導體工藝水平不斷進步的同時，以電池供電的手持設(shè)備和膝上電腦也迅速普及，系統(tǒng)的功耗有時已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計首要考慮的因素，因此，低功耗設(shè)計成為發(fā)展移動系統(tǒng)必然要解決的問題。

　　集成電路的低功耗設(shè)計分為系統(tǒng)級、寄存器傳輸級、門級、電路級四個層次，而在這其中，寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計對優(yōu)化整個系統(tǒng)功耗的貢獻達到20%-50%，這是非常巨大的比例。因而，在寄存器傳輸級進行低功耗設(shè)計是非常值得，也是很有必要的。

　　集成電路中功耗的來源

　　目前，CMOS工藝在集成電路特別是數(shù)字IC中應(yīng)用得很普遍。由于CMOS電路在輸入穩(wěn)定的時候總有一個管子截止，所以它的靜態(tài)功耗在理想情況下應(yīng)該是零，但這并不代表靜態(tài)功耗真的為零，實際上CMOS電路的靜態(tài)功耗就是指電路中的漏電流(這里不考慮亞閾值電流)。

　　CMOS電路功耗的主要來源是動態(tài)功耗，它由兩部分組成：開關(guān)電流和短路電流。

　　所以，整個CMOS電路的功耗為：其中，PTurn是開關(guān)電流ITurn產(chǎn)生的動態(tài)功耗;Pshort是動態(tài)情況下P管和N管同時導通時的短路電流Ishort產(chǎn)生的動態(tài)功耗;而Pleakage 是由擴散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流Ileakage產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。如圖1所示。

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　　圖2a：傳統(tǒng)的設(shè)計。圖2b：增加了門控時鐘的設(shè)計。

　　在這三項中PTurn大約占電路功耗的80% ，因而這里就只考慮開關(guān)電流ITurn所產(chǎn)生的動態(tài)功耗PTurn。ITurn是這樣產(chǎn)生的：在CMOS電路，當輸入為“0”時，PMOS導通，電源通過PMOS向負載電容充電;而當電路輸入為“1” 時，負載電容又會通過NMOS向地放電。ITurn就是不斷對負載電容充放電所產(chǎn)生的開關(guān)電流。

　　一個CMOS反相器由開關(guān)電流引起的平均動態(tài)功耗是：PTurn=CLVDD2f其中，CL是負載電容，VDD是電路的電壓，f是時鐘頻率。所以，要想降低電路的功耗就應(yīng)該降低電路的電壓和頻率。

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　　寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計

　　圖3a：最基本的加法器設(shè)計。圖3b：采用操作數(shù)隔離方法設(shè)計的加法器。

　　寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計方法有很多種，本文只列舉三種最為常用的設(shè)計方法：門時鐘、操作數(shù)隔離及存儲器分區(qū)訪問。

　　1.門控時鐘

　　從上面的討論知道，CMOS電路的功耗是和頻率有著密切關(guān)系的，因此動態(tài)的關(guān)閉處于空閑狀態(tài)的時鐘具有明顯的節(jié)電效果。

　　圖2a是傳統(tǒng)的設(shè)計：系統(tǒng)的時鐘直接接到D觸發(fā)器的時鐘輸入端，不管什么情況，只要輸入的Clock翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器就會工作，整個系統(tǒng)也一直不斷的運行。而圖2b是增加了門控時鐘的設(shè)計：當系統(tǒng)正常工作時，譯碼出來的En信號為高，則觸發(fā)器可以正常鎖存數(shù)據(jù);當系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時，把En信號清零，這樣，由于給觸發(fā)器的Clock一直保持零，不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，所以觸發(fā)器不會鎖存新的數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)被掛起，系統(tǒng)將進入低功耗模式。

　　在電路中加入門控時鐘很容易，可以用Verilog直接在描述中加入，也可以通過Synopsys的工具PowerCompile自動加入。通過加入門控時鐘，系統(tǒng)可以有選擇的停止不相關(guān)模塊的時鐘，以最大程度的節(jié)省動態(tài)功耗。

　　2.操作數(shù)隔離

　　這種方法主要是對系統(tǒng)中的算術(shù)、邏輯運算模塊進行低功耗設(shè)計，其主要思想就是：在不進行算術(shù)、邏輯運算的時候，使這些模塊的輸入保持“0”，不讓操作數(shù)進來，輸出結(jié)果不會翻轉(zhuǎn);而如果進行這方面的運算時，再將它們打開。

　　圖4：存儲器分塊訪問實例。

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　　這種方法在很多人看來是理所當然的，認為就應(yīng)該是這樣設(shè)計。然而在實際中，設(shè)計者一方面關(guān)心模塊的功能，另一方面迫于設(shè)計時間的壓力，所以很多設(shè)計中的細節(jié)沒有考慮。如圖3a，一個加法器的兩個輸入端沒有經(jīng)過任何邏輯直接進入加法器，系統(tǒng)不管是否需要加法運算，加法器都一直工作著，輸出不斷翻轉(zhuǎn)著，這對系統(tǒng)的動態(tài)功耗是很大的浪費，而且數(shù)據(jù)總線越寬浪費的功耗越多;圖3b 則用操作數(shù)隔離的方法進行設(shè)計：當系統(tǒng)不需要加法運算的時候，Adder_en信號為“0”，則加法器的兩個輸入端都保持“0”， 其輸出不會發(fā)生任何翻轉(zhuǎn)，不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，而如果需要進行加法運算時，Adder_en變成“1”，加法器正常工作。

　　當對系統(tǒng)里所有的算術(shù)、邏輯運算單元都用上這種方法必然會對系統(tǒng)的動態(tài)功耗有很大的優(yōu)化，在芯片面積方面，如圖3b所示的，所增加的邏輯僅僅是幾個多路器而已。

　　3.存儲器分塊訪問

　　一個系統(tǒng)里少不了存儲器，存儲器的功耗在整個系統(tǒng)里所占的比例不可忽視。因而降低存儲器的功耗，對于整個芯片系統(tǒng)的功耗優(yōu)化很有幫助。

　　這里提出一種叫做存儲器分塊訪問的方法來降低存儲器的功耗。主要思想是：將系統(tǒng)所需要一定容量的存儲器分成兩塊，然后用高位地址線進行片選譯碼。結(jié)合下面的實例：

　　假設(shè)一個系統(tǒng)需要128K的RAM，如圖4所示，我們選用兩塊64KB的RAM。CPU給出了17位地址線，其中低16位地址線直接提供給兩個RAM，最高位地址線接到下面RAM的片選端CS，而這根地址線經(jīng)過一個反相器接到另一個RAM的片選端。通過這種方法，不管從CPU 出來的什么樣的地址，則每次只會選中一個64KB的RAM。如果采用單塊128KB的RAM，則每次都要選中一塊128KB的RAM。眾所周知，一塊64KB RAM的功耗要遠小于一塊128KB RAM的功耗。這樣從存儲器這一方面，又為系統(tǒng)節(jié)省了功耗。

　　表1：一款SIM卡芯片設(shè)計優(yōu)化前后功耗及芯片面積的對比。

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　　功耗和面積永遠是相矛盾的，如果想要降低系統(tǒng)的功耗，必然要加上一些控制邏輯來進行功耗優(yōu)化，而這部分邏輯會增加芯片的面積，所以在功耗和面積之間就要有個折衷。上面的三種寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計，不會增加很多邏輯，因而對芯片面積的影響不大。而經(jīng)過了這三種低功耗設(shè)計，使整個系統(tǒng)動態(tài)功耗的改善很明顯。例如，使用功耗仿真工具powermill對一款SIM卡芯片設(shè)計進行管級功耗仿真，這里采用的是華杰的0.25um的標準單元庫，表1是優(yōu)化前后功耗及芯片面積的對比。

　　從表1可以看到，經(jīng)過低功耗設(shè)計后的芯片平均動態(tài)電流比優(yōu)化前降了16%，然而優(yōu)化前后芯片的面積沒有發(fā)生改變，因而，上面的三種設(shè)計方法對于降低系統(tǒng)動態(tài)功耗是非常有效的。

　　本文小結(jié)

　　本文首先分析了CMOS電路功耗的來源，基于這個理論基礎(chǔ)介紹了三種寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計方法，最后，通過一款手機SIM卡芯片的功耗優(yōu)化并進行仿真，得出結(jié)論：這三種方法對降低系統(tǒng)功耗有很大的幫助，而且?guī)缀鯖]有增加芯片的面積。