文档介绍：西安邮电学院—电子工程学院
低功耗设计技术
5/26/2018
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Outline
西安邮电学院—电子工程学院
低功耗设计概述
IC系统中的功耗
低功耗设计技术综述
总结
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低功耗设计概述
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近年来,随着IC工作频率、集成度、复杂度的不断提高,IC的功耗快速增加,以Intel处理器为例,处理器的最大功耗每4年增加1倍。正如Intel所称:功耗问题是决定摩尔定律能否继续适用的唯一因素。
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低功耗设计概述
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功耗的提高带来了一系列的现实问题:
首先,功耗增加引起IC运行温度上升会引起半导体电路的运行参数漂移,影响IC的正常工作;
其次,功耗增加引起IC运行温度上升会缩短芯片寿命;
对系统冷却的要求提高,不仅增加系统成本,而且限制了系统性能的进一步提高;
对现在流行的移动计算,系统的低功耗设计及其IC的低功耗设计,是其生存的关键。
问题
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IC系统中的功耗
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CMOS电路中的功耗主要包括:
动态功耗:当电路活动时消耗的功耗。
开关功耗:对负载充/放电
短路功耗:信号的非理想特性
静态功耗:电路不工作时消耗的功耗。
泄漏功耗:由亚阈值电流和反向偏压电流引起
静态直流功耗:例如,伪NMOS逻辑中的PMOS管
图1 反相器中功耗的组成
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IC系统中的功耗
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图2
动态功耗
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IC系统中的功耗
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一半的能量被上拉网络所消耗,一半的能量存储在CL上;
CL上存储的能量在1->0转变时消耗。
图3
动态功耗
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IC系统中的功耗
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其中,f表示翻转频率,Ptrans表示输出翻转的概率,fclk表示系统时钟。
如果定义
则有:
动态功耗
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IC系统中的功耗
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动态功耗除了上面的开关功耗以外,还包括短路功耗。
短路功耗:晶体管翻转时,电源与地之间会存在瞬时短路所引起的功耗。
短路功耗的存在,是因为电路的输入波形是非理想的,上升时间和下降时间不为零,如图4所示:
图4 短路电流
短路功耗
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IC系统中的功耗
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假设短路电流为三角形脉冲,且反相器的上升和下降响应对称,可以计算出每个开关周期消耗的能量,如下所示:
其中,tSC表示两个器件同时导通的时间。
由此可方便求出反相器翻转的平均功耗为:
研究表明,通过使输入、输出的转换时间匹配,可使整个设计的短路功耗达到最小。
短路功耗
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