低功耗文献综述

文献综述

摘要：随着集成电路技术的飞速发展和广泛应用，由功耗所引发的能源消耗、封装成本、以及高集成度芯片散热等问题日益突显，越来越受到人们的重视;低功耗技术己成为当今集成电路设计的一个研究重点和热点。低功耗技术的研究主要涉及了工艺、封装和电路设计三大层面;其中电路设计层面具有成本低、适用范围广的特点，有很大的优化空间。

本文针对低功耗芯片设计技术进行了系统地研究，并将研究成果成功应用到一个典型的低功耗无线通讯系统—射频识别系统中。本文首先分析了不同供电机制系统低功耗的特征，区分了“低能耗”和“低功率”的概念，详尽阐述了功耗的产生机理;在此基础上，结合RFID系统中电子标签芯片的工作原理，针对其特殊的低功耗需求，提出了一种适合电子标签数字基带处理器的分布式架构。

接着，比较系统地介绍了降低功耗的四种基本途径，研究了传统CMOS电路不同设计阶段的各种低功耗技术;并将其灵活应用到电子标签芯片的设计中，提出了一种简单有效的随机数发生机制和一种新颖的分步式译码电路，分别设计并实现了超低功耗的超高频、高频和低频电子标签数字基带处理器芯片。测试结果表明:本文设计与国外的同类设计相比，在功耗方面具有较大的优势。

本文还积极探索了一种新颖的低功耗技术—绝热电路技术:提出了一种准静态绝热逻辑电路结构(C2N-}N2D2P)，有效地避免了动态绝热逻辑中因电路节点充放电而产生的冗余功耗;同时为了完善绝热电路的逻辑功能，提出了一种具有置位/复位功能的绝热锁存器电路结构;将绝热电路技术应用到ROM电路的设计中，提出了一种绝热ROM存储器单元电路(ADL ROM )，大大降低了读操作时位线负载电容充放电而产生的动态功耗。为了促进绝热电路技术在集成电路设计中的应用和推广，本文还开发了一套绝热电路的半自动设计方法，并设计了与之配套的绝热单元库。最终，将绝热电路技术的研究成果巧妙地与RFID系统设计相结合，设计并实现了一款绝热低频电子标签，目前该芯片正处于测试过程中。仿真结果表明，绝热数字基带处理器比传统CMOS电路的设计节省了约88%的功耗。

关键词：低功率、低能耗、射频识别、电子标签、数字基带处理器、绝热电路

1．研究背景

（1）低功耗技术

目前集成电路己渗透到社会的各个角落，获得了飞速发展。自20世纪90年代以来，随着CMOS集成电路技术的发展，功耗已经逐渐成为大规模集成电路设计中考虑的关键因素。功耗的增大至少带来三方面的问题:能源消耗的费用将增加，依靠电池供电的各类便携式计算机及其通信设备将面临困境，电路的过热将引起系统性能不稳定。为此，1992年美国半导体工业联合会确认低功耗设计技术是集成电路设计的一个紧急技术需要。另外，封装费用也是促使人们从设计开始就重视功耗的原因，因增加散热片或从塑料封装改为陶瓷封装都会大幅度增加芯片的成本。

从节约能源的角度看，降低功耗也成为十分迫切的问题。随着电脑的广泛普及，装机量急剧上升，其总耗电量已不容忽视。如Intel公司开发的处理器Core Dual Duo processor，功能十分强大，但功耗高达31W。据统计，美国每年有5%~10%的电能被电脑消耗掉。针对这种情况，1993年美国政府提出了以节能为主题的“能源之星”计划，大力提倡“绿色电脑”( Green PC)技术。各电脑厂商纷纷推出各种低功耗节能CPU产品。低功耗的DSP和单片机也不断涌现。低功耗已成为当前集成电路技术的一个重要研究方向，逐步形成了“低功耗电子学”的学科。1994年10月还专门召开了国际“低功耗电子学”的学术讨论会，可见人们对低功耗的重视。功耗成为 ASIC设计中除速度、面积之外需要考虑的第三维度，面向低功耗设计(DFP} design for power)存在巨大的商业机会。

此外，随着电子仪器的小型化，笔记本电脑、手提电话等各种便携式电子产

品对电路功耗提出了新的要求;尤其是用电池供电的系统，更需考虑电路的功耗

问题。移动通讯、便携式计算机和移动式多媒体电子产品等已成为增长率最高的

产品之一，形成了巨大的市场;它们的应用往往受到电池寿命的限制，而电池寿

命/容量的改进极为有限(通过技术改进，每年大约只能提高10}-15%);因此，

功耗自然成为制约这些应用的关键指标。

（2）射频识别技术

低功耗需求在新兴的自动识别技术—射频识别(RFID)技术中体现得极为明显。射频识别技术是一种利用射频信号通过空间祸合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递信息达到多目标识别和运动目标识别的无线通信技术。该技术具有抗恶劣环境、高准确性、安全性、灵活性和可扩展性等诸多优点;便于通过互联网实现物品跟踪和物流管理;可以广泛应用于铁路车皮识别、自动高速公路收费、航空行李处理、资产跟踪、公共交通、物流管理、门禁安全、动物识别/跟踪等;它将成为未来信息社会建设的一项基础技术。目前RFID 技术己受到广泛的关注，被全球高科技领域誉为最有市场前景、最具改变人类生活方式和高科技产业面貌的技术、本世纪最有发展前途的10项技术之一。巨大的市场需求对RFID系统提出了低成本、低功耗的要求，尤其是在需求量极大的电子标签方面这一要求更为迫切。

RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空中作战行动中进行敌我识别。

最基本的RFID系统由电子标签C Tag)和阅读器(Reader)组成。阅读器和电子标签之间的信息交换是通过射频方式完成的。阅读器发送给电子标签的电磁波一方面给电子标签提供工作的能量，另一方面还将经过编码的基带信号调制在载波上发送给电子标签:电子标签接收到这些信号后，经过解调、解码等过程将数据还原出来，然后送给数据处理部分，同样，电子标签也将数据编码并通过负载调制将编码后的数据调制到载波上，返回给阅读器;阅读器接收后，进行相应的处理过程，还原出其中的数据信息。

按照能量供给方式的不同，射频识别电子标签可以分为无源标签、半有源标签和有源标签。其中无源标签的芯片上没有电池，其能量来源于电磁载波;半有源标签的能量既可以通过电磁载波获取，也可以由标签所附的电池提供;有源标签的能量由电子标签所附的电池提供，有源标签可以主动发出射频信号。

按照工作频率的不同，RFID电一了标签可以分为低频( LF, Low Frequency ) ,高频(HF ，High Frequency )、超高频(UHF ， Ultra-High Frequency)和微波（ Microwave)等不同种类。不同频段的RFID工作原理不同，低频和高频段的RFID电子标签一般采用电磁祸合原理，而超高频及微波频段的RFID一般采用电磁后向散射原理。

从技术上看，数年前，RFID应用基本上都是低频和高频的无源RFID技术。低频和高频RFID 系统数据传输速度和有效工作距离有限;而有效工作距离限制了可部署性，数据传输速度则限制了其可伸缩性。因此，90年代后期开始出现超高频的有源标签技术，以提供更远的传输距离和更快的传输速度。基于此，重载的企业应用开始使用这种技术，比如供应链管理中的托盘和包装跟踪、存货和仓库管理、集装箱管理、物流管理等等;并且逐渐试图成为合成的企业应用(包括ERP, SCM. CRM. EAM. B2B等等)的数据和语义基础。从90年代末期到现在，零售巨头如Wal-Mart, Target, Metro Group以及一些政府机构，如美国国防部(DoD)等，都开始推进RFID应用，并要求他们的供应商也采用此技术。同时，标准化的纷争出现了多个全球性的RFID标准和技术联盟，主要有EPC global, AIM Global, ISOIIEC, UID, IP-X等。这些组织试图在标签技术、频率、数据标准、传输和接口协议、网络运营和管理、行业应用等方面达成全球统

一的平台。