低功耗数字系统设计方法-东南大学学报.PDF

第３０卷第５期 东南大学学报（自然科 学版 ） Ｖｏｌ３０ Ｎｏ５ 　 ２０００年９月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） 　 Ｓｅｐｔ．２０００ 　　　　　　 低功耗数字系统设计方法 　　梁　宇　韩　奇　魏同立　　　　　郑　茳　　　　　　 　（东南大学微电子中心，南京２１００９６）　　　（摩托罗拉苏州设计中心，苏州２１５０１１） 摘　要　首先对集成电路的功耗来源进行简要的分析．在此基础上，按照不同的设计 层次，分别介绍了系统层、寄存器传输层、版图层的各种主要的低功耗设计技术，重点 分析了不同技术的基本思路和进一步发展的方向．最后，从整体设计流程的角度介绍 了前馈型的设计方法，进一步指出高层设计层次中的低功耗设计方法和技术在未来 数字系统功耗设计中的重要性． 关键词　低功耗；超大规模集成电路；设计方法 分类号　ＴＮ４７ 数字系统的低功耗设计是ＶＬＳＩ设计方法研究的重要领域，近来随着便携式产品的不断出 现，如移动电话、ＰＤＡ等产品，功耗问题日益突出．目前这类产品的功耗大约为１Ｗ，到２０１２年 将达到 ［１］ ［１］ ３Ｗ ．此外，高性能系统（功耗为７０Ｗ到２０１２年约为１７５Ｗ ）的散热问题使的散热 装置的成本上升，可靠性下降，低功耗设计成为发展的必然趋势． １　功耗来源 ［２］ 集成电路的功耗主要由４个方面组成 ： １）开关功耗是对电路中的电容充放电形成的．其表达式为 ２ 　　Ｐ ＝ ＣＶｆ （１） ｄｙｎａｍｉｃ α ｄｄ 式中，Ｖ 为电源电压；Ｃ为被充放电的电容；为活动因子，表示电容充放电的平均次数相对于 ｄｄ α 开关频率的比值；ｆ为开关频率． ２）短路功耗是在开关时由电源到地形成的通路造成的．其表达式为 　　Ｐ ＝ Ｗｆ （２） κ τ ｓｃ 式中，是由工艺和电压决定的；Ｗ为晶体管的宽度；为输入信号上升／下降的时间． κ τ ３）静态功耗是指在电路稳定时由电源到地的电流所形成的功耗． ４）漏电流功耗是指在亚阈值电流和反向偏压电流造成的． 目前集成电路主要以静态ＣＭＯＳ为主．在这类电路中开关功耗是整个电路功耗的主要组 成部分．其次是短路功耗，而静态功耗和漏电流功耗在大多数情况下可忽略． 集成电路的设计是一个追求多设计目标（性能、面积和功耗）的过程．功耗的优化不是孤 立的，功耗优化的技术和方法是与其他设计目标相互约束并有机结合的．下面我们将对不同设 　 收稿日期：２０００－０２－２３．　第一作者：男，１９７３年生，博士研究生． 第５期 梁　宇等：低功耗数字系统设计方法 １３７ 计层次的功耗优化方法分别进行讨论． ２　 系统级 ２１　软硬件划分 ［３，４］ 　　软硬件划分 是从系统功能的抽象描述（如Ｃ语言）着手，把系统功能分解为硬件和软 件来实现．对于一个系统功能的任务，可通过在微处理器上运行软件来实现和通过专用电路实 现，比较两者的功耗得出一个低功耗的实现方案．软硬件划分的技术处于设计的起始阶段，给 降低功耗带来更大的可能． ２２　存储器优化 存储器是集成系统的重要组成部分，存储器的功耗包括对存储器本身功耗和微处理器与 存储器之间通信的功耗．研究包括低功耗存储结构的构造方法，它同时考虑了各种类型的存储