集成电路功耗百科

定义

功率的损耗，指设备、器件等输入功率和输出功率的差额。功率的损耗。电路中通常指元、器件上耗散的热能。有时也指整机或设备所需的电源功率。

功耗同样是所有的电器设备都有的一个指标，指的是在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为W。不过复印机和电灯不同，是不会始终在工作的，在不工作时则处于待机状态，同样也会消耗一定的能量（除非切断电源才会不消耗能量）。因此复印机的功耗一般会有两个，一个是工作时的功耗，另一个则是待机时的功耗。

待机功耗

2001年，欧盟要求额定输出功率0.3W~70W的无负载功率损耗均为1W；2005年，欧盟将该标准变为额定输出功率0.3W~50W的无负载功率损耗为0.3W、额定输出功率15W~70W的无负载功率损耗为0.75W。由此可以看出，大家对电器产品功耗方面的要求正日益严格。

为了符合欧盟等组织针对产品功耗而制定的种种规范，很多新技术应运而生，主要思想是让开关电源在负载很小或空载处于待机状态时能够以较低开关频率操作。

TI公司提供的UCC28600电源方案，在30%~100%输出功率段，采用准谐振零电压和固定频率不连续模式相结合的电源控制方式，以及高达1A的驱动能力，使得反激式电源的开关损耗大为降低，整机工作效率达到85%以上；在10%~30%输出功率段，采用固定峰值电流的关断时间调制模式的电源控制方式，使得电源的动态负载响应和低功率段的转换效率都得到极大的改善；同时在大约10%输出功率段采用跳脉冲的待机控制模式，使得待机功耗低至150毫瓦特。

UCC28600能直接驱动高达200瓦特的反激式电源，同时UCC28600自身携

带的引脚功能能在待机模式下自动关断PFC功能，使得用户的设计更为简洁，费用更低廉。

TDP功耗

TDP的英文全称是“Thermal Design Power”，中文翻译为“热设计功耗”，是反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦（W）。

CPU的TDP功耗并不是CPU的真正功耗。功耗（功率）是CPU的重要物理

参数，根据电路的基本原理，功率（P）＝电流（A）×电压（V）。所以，CPU

的功耗（功率）等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积。而TDP是指CPU电流热效应以及其他形式产生的热能，他们均以热的形式释放。显然CPU的TDP小于CPU功耗。换句话说，CPU的功耗很大程度上是对主板提出的要求，要求主板能够提供相应的电压和电流；而TDP是对散热系统提出要求，

要求散热系统能够把CPU发出的热量散掉，也就是说TDP功耗是要求CPU的散热系统必须能够驱散的最大总热量。

现在CPU厂商越来越重视CPU的功耗，因此人们希望TDP功耗越小越好，越小说明CPU发热量小，散热也越容易，对于笔记本来说，电池的使用时间也越长。Intel和AMD对TDP功耗的含义并不完全相同。AMD的的CPU集成了内存控制器，相当于把北桥的部分发热量移到CPU上了，因此两个公司的TDP值不是在同一个基础上，不能单纯从数字上比较。另外，TDP值也不能完全反映CPU的实际发热量，因为现在的CPU都有节能技术，实际发热量显然还要受节能技术的影响，节能技术越有效，实际发热量越小。

TDP功耗可以大致反映出CPU的发热情况，实际上，制约CPU发展的一个重要问题就是散热问题。温度可以说是CPU的杀手，显然发热量低的CPU设计有望达到更高的工作频率，并且在整套计算机系统的设计、电池使用时间乃至环保方面都是大有裨益。目前的台式机CPU，TDP功耗超过100W基本是不可取的，比较理想的数值是低于50W。

低功耗SOC设计

1）为什么需要低功耗？

随着SOC的集成度与性能的不断发展，如今的SOC已达到百瓦量级。如Intel的Itanium2功耗约130瓦，这需要昂贵的封装，散热片及冷却环境。根据摩尔定律，每18个月晶体管密度增加一倍，而电源技术要达到相同的增速，需要5年，显然电源技术已成瓶颈。电路里的大电流会使产品的寿命和可靠性降低。电源的动态压降严重的时候还会造成失效。

2）功耗从哪儿来？

功耗一般分两种：来自开关的动态功耗，和来自漏电的静态功耗。而动态功耗又可分为电容充放电（包括网络电容和输入负载），还有当P/N MOS 同时打开形成的瞬间短路电流。静态功耗也可分为几类：扩散区和衬底形成二极管的反偏电流(Idiode)，另外一类是关断晶体管中通过栅氧的电流（Isubthreshold)。芯片的漏电会随温度变化，所以当芯片发热时，静态功耗指数上升。另外漏电流也会随特征尺寸减少而增加。

公式：Ptotal = Pdynamic + Pshort + Pleakage

Pswitch = A * C * V2 * F

Pshort = A (B/12) (V-2Vth)3 * F * T

Pleakage = (Idiode + Isubthreshold) * V

3)怎样减少功耗呢？

首先定义对功耗的需求，然后分析不同的架构，决定如下需求：system performance, processor and other IP selection, new modules to be designed, target technology, the number of power domains to be considered, target clock frequencies, clock distribution and structure, I/O requirements, memory requirements, analog features and voltage regulation.你还需要定

义工作模式：如startup, active, standby, idle, and power down等等，当然这些模式是由软硬件共同决定的。

理想的解决办法是不同工作模式下用不同的工作电压，但这又会造成太过复杂的情况，比如你需要考虑不同电压区域隔离，开关及电压恢复，触发器和存储器的日常存储恢复中状态缺失，等等。简单一点来讲，你可以根据高性能/高电压和低性能/低电压来划分你的设计。接下来你可以考虑系统时钟结构，这对减少动态功耗很有用。你可以使用多个时钟域，降低频率，调整相位等等。一般处理器的软件接口控制都可做到这几点。别忘了可能出现的比如glitch,skew,等问题。

一旦架构确定下来，就可以做RTL code了，当然目标还是低功耗。使用EDA工具时注意mutiple threshold leakage optimization，multiple supply voltage domains，local latch based clock gating, de-clone and re-clone restructuring, operand isolation, and gate level power optimization. 我们一条条的来看：

第一，mutiple threshold leakage optimization。库文件一般有三版：低Vth(快，大漏电），标准Vth,高Vth(慢，低漏电）。工具一般尽量用高Vth cell,而由于timing限制则需用低Vth cell.很明显，选库很重要。

第二，multiple voltage domains。不同工作电压需要库的支持。不同电压区域的划分则需要前后端设计的协作。

第三，local latch based clock gating。这是在成组的flop之前加上特定的clock gating latch.

第四，de-clone and re-clone restructuring。在layout之前,将local clock gating提到更高一级，以利于减少面积，为CTS建立“干净“的起始点。在具体布局时，对local clock gating进行re-clone,以利于优化时钟树。

第五，operand isolation。这一步通过一个通用控制信号，自动识别并关闭data path elements和分层组合模块。

第六，Classical gate level optimization。改变单元尺寸，pin swapping,去除不必要的buffer,合并门，加入buffer减少skew,调整逻辑等等。

SOC的功耗分析

大规模集成电路多采用CMOS电路，对于CMOS电路来说，在执行某一任务期间，1个时钟周期的能量消耗为:

式中:M为系统中门电路的个数，Cm为第m个门电路的负载电容， 为第k 个门电路每个时钟周期的开关次数，Vdd为电路的电源电压值。

可以看出，影响系统功耗的主要因素有工作电压、负载电容、门电路的开关次数和时钟数。这些参数就是进行SOC系统低功耗设计的出发点。

SOC不同层次的低功耗设计

影响系统功耗的参数调整主要是从系统级到物理级来进行。下面将针对各种不同层次中较为有效的设计方法进行阐述与探讨。

系统级

在系统级进行低功耗设计的主要方法有: