集成电路中功耗的来源和低功耗的三种设计方法

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    集成电路中功耗的来源和低功耗的三种设计方法：目前，CMOS工艺在集成电路特别是数字IC中应用得很普遍。由于CMOS电路在输入稳定的时候总有一个管子截止，所以它的静态功耗在理想情况下应该是零，但这并不代表静态功耗真的为零，实际上CMOS电路的静态功耗就是指电路中的漏电流。CMOS电路功耗的主要来源是动态功耗，它由两部分组成：开关电流和短路电流。所以，整个CMOS电路的功耗为：
    P=PTurn+Pleakage+Pshort
    其中，PTurn是开关电流ITurn产生的动态功耗；Pshort是动态情况下P管和N管同时导通时的短路电流Ishort产生的动态功耗；而Pleakage 是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流Ileakage产生的静态功耗。
    在这三项中PTurn大约占电路功耗的80% ，因而这里就只考虑开关电流ITurn所产生的动态功耗PTurn。ITurn是这样产生的：在CMOS电路，当输入为“0”时，PMOS导通，电源通过PMOS向负载电容充电；而当电路输入为“1” 时，负载电容又会通过NMOS向地放电。ITurn就是不断对负载电容充放电所产生的开关电流。
    一个CMOS反相器由开关电流引起的平均动态功耗是：PTurn=CLVDD2f
    其中，CL是负载电容，VDD是电路的电压，f是时钟频率。所以，要想降低电路的功耗就应该降低电路的电压和频率。
    寄存器传输级的低功耗设计方法有很多种，最为常用的三种设计方法：门时钟、操作数隔离及存储器分区访问。
    1.门控时钟从上面的讨论知道，CMOS电路的功耗是和频率有着密切关系的，因此动态的关闭处于空闲状态的时钟具有明显的节电效果。传统的设计：系统的时钟直接接到D触发器的时钟输入端，不管什么情况，只要输入的Clock翻转，触发器就会工作，整个系统也一直不断的运行。增加了门控时钟的设计：当系统正常工作时，译码出来的En信号为高，则触发器可以正常锁存数据；当系统处于空闲状态时，把En信号清零，这样，由于给触发器的Clock一直保持零，不会发生翻转，所以触发器不会锁存新的数据，整个系统被挂起，系统将进入低功耗模式。在电路中加入门控时钟很容易，可以用Verilog直接在描述中加入，也可以通过Synopsys的工具PowerCompile自动加入。通过加入门控时钟，系统可以有选择的停止不相关模块的时钟，以最大程度的节省动态功耗。
    2.操作数隔离这种方法主要是对系统中的算术、逻辑运算模块进行低功耗设计，其主要思想就是：在不进行算术、逻辑运算的时候，使这些模块的输入保持“0”，不让操作数进来，输出结果不会翻转；而如果进行这方面的运算时，再将它们打开。
    3.存储器分块访问一个系统里少不了存储器，存储器的功耗在整个系统里所占的比例不可忽视。因而降低存储器的功耗，对于整个芯片系统的功耗优化很有帮助。主要思想是：将系统所需要一定容量的存储器分成两块，然后用高位地址线进行片选译码。
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