门控时钟技术在RTL功耗优化上的应用
深亚微米工艺下系统芯片低功耗技术
深亚微米工艺下系统芯片低功耗技术王栋;蔡荭【摘要】功耗问题将成为系统芯片发展的一个瓶颈.影响深亚微米工艺下系统芯片的功耗因素比较多,论文从不同的层次对功耗进行分析,找到影响电路功耗的主要因素.对系统芯片而言,其电路规模比较大,工作模式复杂、工作速度较高,因此全面降低芯片功耗是设计者在规划时就必须考虑的重要因素.文中以实际设计的系统芯片为例,从系统级、电路级、逻辑级等不同层次采取降低功耗的措施,分析这些手段对降低芯片功耗的影响,测试结果表明综合采取这些措施,可以很好地降低电路的功耗.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2011(011)001【总页数】4页(P37-40)【关键词】片上系统;低功耗;深亚微米【作者】王栋;蔡荭【作者单位】中国电子科技集团公司第58研究所,江苏,无锡,214035;中国电子科技集团公司第58研究所,江苏,无锡,214035【正文语种】中文【中图分类】TP3021 引言随着集成电路工艺技术迅速发展，单个芯片的规模已经发展到几十亿个晶体管。
随着芯片规模的进一步扩大，功耗问题正在变得日益突出，并成为制约未来集成电路发展的十分关键的因素之一。
功耗估计及低功耗系统设计工作已经在集成电路工艺制造、设计以及软件系统设计等层次全面开展。
在动态和静态功耗的建模及优化方面都有大量的研究在进行探索，但其速度还远远跟不上以指数形式增长的功耗提高速度，特别是在静态功耗的快速估计和优化、面向片上系统的低功耗设计技术、面向特定应用的低功耗系统设计等方面。
本文从不同的角度对超大规模集成电路存在的低功耗问题进行分析，并提出一些解决措施。
集成电路的功耗一般分为动态功耗和静态功耗两大部分。
动态功耗是在电路工作状态发生变化时产生的，主要包括三个部分：由于逻辑跳变引起的电容功耗、由于通路延时引起的竞争冒险功耗、由于电路瞬间导通引起的短路功耗，动态功耗曾经是电路总功耗的主要部分[1]。
静态功耗是电路处于非活动状态时电路的功耗。
门控时钟 低功耗芯片设计方案
门控时钟低功耗芯片设计方案全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：门控时钟低功耗芯片设计方案随着物联网技术的飞速发展，原本以人类为中心的智能家居和智能办公等应用场景也逐渐普及，门控时钟低功耗芯片成为这些智能设备的重要组成部分。
门控时钟低功耗芯片设计方案要求具有高性能、低功耗、稳定可靠等特点，以满足现代智能设备对芯片性能的需求。
1. 高性能：门控时钟低功耗芯片需要具有高性能的时钟控制功能，能够对设备的时序信号进行准确控制，确保设备的正常运行。
2. 低功耗：门控时钟低功耗芯片需要具有低功耗的特点，以延长设备的使用时间，提高设备的续航能力。
3. 稳定可靠：门控时钟低功耗芯片需要具有稳定可靠的性能，能够在各种工作环境下保持稳定的工作状态，确保设备的正常运行。
4. 外设接口丰富：门控时钟低功耗芯片需要具有丰富的外设接口，以支持设备与其他外部设备的连接和通讯。
5. 易集成：门控时钟低功耗芯片需要具有易于集成的特点，能够方便地与其他组件进行接口连接，实现功能的扩展和定制。
1. 芯片选用：在选择芯片时，可以考虑采用低功耗的CMOS工艺制程，以降低整体功耗。
可以选择具有高性能和稳定可靠性的时钟控制器芯片，以确保时序信号的准确控制。
2. 功耗优化设计：在芯片设计过程中，可以采用功耗优化设计策略，通过降低功耗模块的工作频率、优化电源管理电路等方式，降低整体功耗，延长设备的续航时间。
3. 时钟控制算法优化：通过优化时钟控制算法，可以提高时钟控制的准确性和稳定性，确保设备的正常运行。
可以提供丰富的时序控制功能，以满足不同应用场景对时序信号的需求。
4. 外设接口设计：在芯片设计中，可以设计丰富的外设接口，如UART、SPI、I2C等接口，以支持设备与其他外部设备的连接和通讯。
可以提供GPIO接口和PWM输出等功能，实现设备的功能扩展和定制。
5. 集成设计：在芯片设计中，可以将时钟控制器、功耗管理电路、外设接口等功能集成到同一芯片中，实现功能的集成和有效管理。
ASIC低功耗设计
ASIC低功耗设计三、低功耗技术1. 功耗分析（1）由于电容的充放电引起的动态功耗V C l i VDDv out图（20）充放电转换图如图（20）所示：PMOS 管向电容LC 充电时，电容的电压从0上升到DDV ,而这些能量来自于电源。
一部分能量消耗在PMOS 管上，而剩余的则保存在电容里。
从高电压向低转换的过程中，电容放电，电容中储存的能量消耗在NMOS 管上。
我们来推导一下：考虑从低电压转换到高电压的情况，NMOS 和PMOS 不同时导通。
在转换过程中电源提供的能量为CE ,而是转换后储存在电容里的能量。
⎰⎰⎰====∞∞VDD DD L out DD L out L DD VDD VDD V C dv V C dt dt dv C V dt t i E 0002)( ⎰⎰⎰====∞∞VDD DD L out out L out out L out VDD C V C dv v C dt v dt dv C dt v t i E 02002)(这两个等式说明电源提供的能量只有一半储我们来计算在翻转周期的能量消耗：peak DD sc sc peak DD sc peak DD dp I V t t I V t I V E ==+22 我们计算平均能量消耗f V C f I V t P D D sc peak D D sc dp 22==V V in V outC L I SC图（21）短路电路示意图短路电流的功耗同电路的翻转率是成正比，sc t 表示器件同时导通的时间, peakI 由器件的饱和电流决定，因此正比于晶体管的尺寸。
峰值电流是输入和输出斜率比率的函数。
其原因说明如下：静态CMOS 反向器的输入从0变化到1，假设负载电容非常大，因此输出信号的下降时间比输入信号的上升时间长得多。
在这种情况下，在输出信号变化以前，输入信号已经完成了瞬态变化，因此NMOS 已经导通，但是输出电容来不及放电。
集成电路设计中的时钟和功耗优化技术
集成电路设计中的时钟和功耗优化技术时钟和功耗优化是集成电路设计中非常重要的方面，可以有效提高电路性能和节约能源，同时也是当前芯片设计领域的研究热点。
本文将从时钟优化和功耗优化两个方面进行详细介绍。
一、时钟优化技术1. 时钟树优化：时钟树是整个芯片中传输时钟信号的网络，它对芯片的性能和功耗有着重要影响。
时钟树优化主要包括减小时钟路径长度、降低时钟树的总延迟和功耗等。
常见的时钟树优化方法有缩短时钟路径、合理选择时钟分频器和缓冲器的位置、优化时钟网络拓扑结构等。
2. 延时优化：在芯片设计中，减少信号传输路径的延时对于电路性能至关重要。
延时优化包括时钟信号的路径缩短、减小信号传输的总延迟和时钟相位的优化等。
常用的延时优化技术有时钟分频、时钟缓存、时钟同步等。
3. 相位锁定环（PLL）优化：相位锁定环是一种常用的时钟生成电路，用于产生高精度的时钟信号。
对于功耗敏感的应用，如移动设备，降低PLL的功耗是非常重要的。
PLL优化主要包括降低锁相环的功耗、减小振荡频率杂散分量等。
常见的PLL优化技术有自适应的反馈路径控制、降低参考振荡器功耗、优化环路滤波器等。
4. 时钟数据路径提前调整：时钟数据路径调整是为了保证时序的正确性，即通过调整时钟和数据信号的相对到达时间来消除时钟抖动和数据抖动引起的错误。
时钟数据路径调整可以通过合理选择时钟和数据线的长度、调整时钟缓存器的位置等方式进行优化。
二、功耗优化技术1. 切片功耗优化：切片是集成电路中的最基本单元，切片功耗对芯片功耗的影响非常大。
切片功耗优化主要包括降低切片开关功耗、减少切片功耗峰值等。
常见的切片功耗优化技术有时钟门控、比特反转（bit-reversal）编码等。
2. 动态功耗优化：动态功耗是由时钟驱动的开关电流引起的功耗，是芯片功耗的主要组成部分。
动态功耗优化主要包括降低时钟频率、减小开关电流和降低动态功耗峰值。
常见的动态功耗优化技术有时钟门控技术、优化时钟缓存和时钟同步等。
芯片设计中的功耗优化技术研究
芯片设计中的功耗优化技术研究第一章：芯片功耗分析芯片功耗是衡量芯片性能的重要指标之一。
在芯片设计中，理解和优化芯片功耗是能够使芯片在性能和功耗之间取得平衡的重要手段。
1.1功耗来源芯片功耗来自多个方面，例如电源电压、时钟频率、晶体管数量、布局和布线、器件和栅极长度、电感、电容等等。
由于不同的设计特征在不同的工作状态下产生不同程度的功耗，因此需要对芯片功耗做一个全面的分析。
1.2功耗模型为了定量地分析功耗，人们经常使用功耗模型。
常见的芯片功耗模型有RTL（Register Transfer Level，寄存器传输级）功耗模型和门级功耗模型。
门级功耗模型通常使用仿真器进行验证以准确地计算芯片功耗。
第二章：芯片功耗优化原则在芯片设计中，优化功耗可以带来多种好处，如延长电池寿命、降低散热需求、提高芯片可靠性和降低成本等。
因此，在芯片设计中优化功耗是一个很重要的方面。
下面我们来讨论一些理念和方法，以便芯片设计人员能够在功耗和性能之间取得恰当的平衡。
2.1考虑芯片工作状态在芯片设计中，对于不同的应用场景和工作状态，所需功耗和性能需求是不同的。
例如，对于一个功耗敏感的移动应用，需要在工作状态和休眠状态之间快速切换，从而实现最优的功耗和性能平衡。
2.2使用优化算法在芯片设计中，许多算法被用于优化设计，如模拟退火和遗传算法等。
通过采用这些算法可以减小能耗并提高性能，例如在寻找最佳的布局和布线过程中应用。
2.3使用低功耗技术芯片设计人员有许多可以减少芯片功耗的技术可用。
例如，采用低功率晶体管、低功率时钟源以及采用不同的控制电路等。
这些技术可以有效地减少功耗，从而实现高性能和低功耗的平衡。
第三章：应用案例下面介绍在芯片设计中功耗优化技术的一些成功案例。
3.1 ARM公司ARM公司是全球领先的芯片设计公司。
在其设计中，功耗优化是很重要的一部分。
因此，在ARM的芯片设计中，许多低功率技术被使用，如开关电源技术、时钟门控技术和功率管理技术等。
芯片设计中的时钟网络与时序优化
芯片设计中的时钟网络与时序优化时钟网络与时序优化在芯片设计中扮演着至关重要的角色，它们对提高芯片性能、降低功耗和实现稳定工作起着至关重要的作用。
本文将讨论时钟网络与时序优化的概念、作用、优化方法以及相关技术的应用。
一、时钟网络的概念与作用时钟网络是芯片设计中用于传递时钟信号的网络。
时钟信号在芯片中起到同步各个模块，协调其工作的作用。
时钟网络能够保证芯片的稳定工作，避免时序偏差和时序冲突，最终实现芯片的正确运行。
时钟信号的稳定与否直接影响着芯片的性能和功耗。
稳定的时钟信号可以提高芯片的时序精度，降低时序偏差，从而提高芯片运行的稳定性。
此外，合理设计的时钟网络能够降低芯片的功耗，减少晶体管的开关频率，提高芯片的能效比。
二、时序优化的概念与意义时序优化是指针对芯片设计中的时序路径进行优化，以满足设计要求和时序约束。
时序路径是指芯片中某个特定功能的数据传输路径，它的时序特性直接关系到芯片的性能和功耗。
时序优化的目标是减少时序延迟，提高芯片运行速度。
在芯片设计中，时序约束是非常重要的，它保证了芯片各个模块之间的数据正确传输，同时也保证了芯片的整体性能。
通过时序优化，可以使芯片达到更高的工作频率，提高性能，同时减少功耗。
三、时钟网络与时序优化的方法1. 时钟树合成：时钟树合成是指在芯片设计过程中，根据时钟信号的传输路径和分布，构建合适的时钟树结构。
通过合理分配时钟树分支，减少时钟信号的传输延迟和功耗，从而提高芯片性能。
2. 时钟缓冲器优化：在时钟网络中，时钟缓冲器起到放大和同步时钟信号的作用。
通过优化时钟缓冲器的布局和电路参数设置，可以降低功耗和时钟峰值电流，提高芯片的稳定性和性能。
3. 时序路径优化：时序路径优化是指对芯片中关键路径进行优化，减少时序延迟和功耗。
通过对逻辑电路的优化、时钟分配和布局布线的优化，可以减少时序路径的长度和逻辑门数量，提高芯片的工作频率和性能。
四、时钟网络与时序优化的应用技术1. 时钟频率调整：通过动态调整芯片的时钟频率，可以根据芯片的负载情况和工作状态来实现功耗的优化和性能的提升。
应用于片上系统中低功耗IP核设计的自适应门控时钟技术
关 键 词 门 控 时 钟 ；Ｐ核 ； 上 系 统 ； 功 耗 设 计 Ｉ 片 低
中 图法 分 类 号 Ｔ ３２ Ｐ ０
Ａｄ ｐ ｉ ｅ Ｃｌ ｃ ｔｎｇ Ｔｅ ｈｎｉ ｕ ｏ ｗ ｗｅ Ｐ ｒ ｓｇ ｎ Ｓ Ｃ ａ ｔｖ ｏ ｋ Ｇａ ｉ ｃ ｑ ｅ ｆ ｒ Ｌｏ Ｐｏ ｒ Ｉ Ｃｏ ｅ Ｄｅ ｉ ｎ Ｏ卷 第 ５ 期 ２０ ０ ７年 ５月
计
算
机
学
报
Ｖｏ ．３ Ｎｏ １ Ｏ ．５
Ｍａ Ｏ ｖ ２Ｏ ７
Ｃ Ｉ Ｈ ＮＥＳ ＯＵＲＮＡ Ｌ ＯＥ ＣＯＭ ＰＵＴＥ ＥＪ ＲＳ
应 用 于片 上 系统 中低 功耗 Ｉ Ｐ核 设 计 的 自适 应 门控 时钟 技 术
．
ｔ ｉａ ｖ ｎｔ ｇｅ ｆｍａ ｌ ｃ ａ ｉ ｅ ｈｎ ｑ ｓ ａ ｏ ｎｔ ｕｔｔ ａ ｈ ｙ ａ ｅ ｏｂ ｔ ｃｅ ｎ Ｓｙ — ｈｅ ｄ ｓ ｄ ａ ａ ｓ ｏ ｎｙ ｃｏ ｋ ｇ ｔｎｇ ｔ ｃ ｉ ｕｅ ｎｄ ｐ ｉ ｓ ｏ ｈ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ
点 ， 析 已有 的 各 种 门控 时钟 技 术 的优 缺 点 ， 出这 些 缺 点 是 Ｓ Ｃ设 计 中 的严 重 障 碍 ， 分 指 ｏ 随后 抽 象 出 Ｉ Ｐ核 工 作 模 型 ， 提 出 了仅 用 非 常 简 单 的 逻 辑 就 可 以 方 便应 用 于 Ｉ Ｐ核 的 自适 应 门控 时 钟 技 术 ． 种 技 术 在 不 影 响性 能 的 前 提 下 ， 这 可
图l寄存器传输级门控rcg使用原理22寄存器传输级门控时钟技术当前eda工具支持的方法是根据rtlregistertransferlevel代码中的语句在符合条件的寄存器的时钟端插入门控单元如图1所示a图是verilog代码该条件语句中不含elseb图是普通综合模式下对应的逻辑电路c图是经过插入门控单元之后的逻辑电路
基于ASIC的功耗评估与优化设计
功耗两部分构成，通常动态功耗占芯片整体功耗的绝大
部分[2]。
（1）动态功耗，是电路在工作时所消耗的能量。
对于CMOS电路，动态功耗又分为开关功耗和短路功
耗，即
PDynamic=P
switch+P
。开 [3]
internal
关
功
耗
也
称为翻转
功耗（Switching Power），由电路翻转时对负载电
容充放电引起，即 Pswitch
Compile
图3 Latch-based时钟门控电路
格，利用数据编码来降低开关活动，例如用格雷码比用 二进制码翻转更少，功耗更低[6]。简化状态机，降低每 次工作的状态机的寄存器数量，为功耗降低提供了可能 性。进行逻辑共享，提高如FIFO、查找表、RAM存储 资源的利用率。
此外在RTL级与门级中，常采用的低功耗设计技术 是时钟门控[7]。 3.2 时钟门控 3.2.1 时钟门控原理
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Set clock gating style
Reading in verilog
Input RTL
图2 时钟门控结构图
Define the clocks Insert clock gating
本文将介绍芯片功耗的来源和构成，及其基本概 念。然后介绍芯片的功耗的评估计算方法和途径，提 出在ASIC芯片设计中进行功耗优化的思路，同时结合 EDA工具辅助实现，介绍对芯片设计初期阶段的核心功 耗进行优化的具体操作流程，最后进行功耗优化后的分 析。
1 功耗的构成
功耗的构成按照类型分类，主要由动态功耗和静态
时钟门控的实现方式有多种，最常用的是Latchfree和Latch-based。Latch-free类型时钟门控一般是由 结构简单的与门或者或门电路组成，但对时序要求较 高。比如由与门组成的电路波形图中时钟信号CLK和使 能信号EN相与，得到的门控时钟GCLK出现了毛刺， 影响了电路的稳定性[2]。因此大部分设计使用Latch-
门控时钟检查(clock gating check)的理解和设计应用
门控时钟检查 (Clock Gating Check) 的理解和设计应用本文旨在介绍门控时钟检查 (Clock Gating Check) 的定义、作用以及在数字电路设计中的应用，并提供一些设计技巧。
门控时钟检查 (Clock Gating Check) 是一种用于数字电路中的时序分析技术，它的主要作用是检查门控时钟网络 (Clock Gating Network) 的正确性。
门控时钟网络通常用于降低功耗和减少时序约束，它可以根据某些条件来控制时钟信号的传输。
门控时钟检查的核心思想是，通过对门控时钟网络进行分析，检查所有可能的时序路径是否满足时序约束条件。
具体来说，门控时钟检查器会检查每个时钟周期是否被正确地门控，以及每个门是否在正确的时序状态下工作。
如果检查器发现任何错误，它将报告这些错误并提供有关如何修复它们的建议。
在数字电路设计中，门控时钟检查通常是必不可少的，因为它可以帮助设计人员在设计过程中检测和纠正时序错误，从而提高电路的性能和可靠性。
门控时钟检查可以在 RTL 代码层面进行实现，也可以在门级网表层面进行实现。
在设计门控时钟检查时，需要考虑以下几个方面:
1. 确定门控时钟网络的时序约束条件，包括时钟周期、时钟门控信号、时钟网络拓扑结构等。
2. 选择合适的门控时钟检查算法，例如基于状态的检查算法或
基于推断的检查算法。
3. 实现门控时钟检查器，通常可以使用硬件描述语言 (HDL) 来实现。
4. 验证门控时钟检查器的正确性和性能，通常可以使用仿真工具来验证。
门控时钟检查是数字电路设计中一个非常重要的技术，它可以帮助设计人员检测和纠正时序错误，提高电路的性能和可靠性。
从RTL到GDSII整个流程的功耗优化设计指南
/technology/100019609从RTL到GDSII整个流程的功耗优化设计指南星期六, 04/04/2009 - 11:42 — 创新网小编当 前，数字集成电路(硅晶片)的设计日益变得越来越大型化和复杂化—包括ASIC,ASSP与片上系统(SoC)—设计的功率收敛和电路的功率完整性开始逐渐成为工程资源中的主流问题，进而有效器件整体的面市时间。
在便携式(通常是无线 的)电子系统中，逐渐增加了电池供电的使用，推动着对消耗最小功率的器件的需求。
同时，这些产品的物理体积也变得越来越小，消费者日渐成熟，他们需要的是更多的功能，更长的电池寿命。
举例说明，一款时髦的移动电话，可能包括以下特征，如个人记事本功能、游戏功能、照相并传输照片、连接到互联网等等。
不管功能如何增加，然而，一个普通移动电话的重量不会超过4盎司，而且消费者希望在通话和操作时电池能够持续至少三个小时，待机模式下至少能持续五天或者更长时 间。
本文首先探讨了最重要的功率消耗和功率分配等注意事项。
然后介绍真正的低功耗设计环境，能够满足贯穿整个RTL到GDSII设计流程中功率设计的需求。
而在另一个层面，一些器件的大部分功率损耗都会导致重要的设计问题。
例如，一款新近发布的CPU在1.3伏时消耗电流量为100安培，功率相当于 130瓦！这一类的器件需要昂贵的封装和散热配置，整个芯片上的热梯度，可能会导致机械应力，进而过早地导致器件故障，因此如何在芯片中物理的实现所有功率并不是小事一桩。
所以，即便是将器件用于非便携的设备上，依然存在着大功率的问题，在面对这些电源供应和冷却系统的尺寸和成本问题时，有功率意识(功率监 控)的设计能够实现有竞争力的优势。
当半导体行业从一个技术标准移植到另一个技术标准时，目前的功率约束就显得非常吃紧，新的约束便相继出现。
关乎功率的约束正被加以利用，贯穿在整个设计流程中，从而实现器件最佳的性能和可靠性。
在目前超大型、超复杂的设计中，实现可靠的电源网络和最小的功率消耗已经成为设计团队面临的主要挑战。
rtl设计阶段降低功耗常用方法
rtl设计阶段降低功耗常用方法
在RTL设计阶段，降低功耗是一个重要的目标。
通过采用一些常用的方
法可以有效降低功耗并提高电路性能。
可以使用时钟门控技术来降低功耗。
在电路中，时钟信号通常会使大部
分逻辑门进行切换，从而导致功耗的浪费。
通过使用时钟门控技术，可以将
不需要进行切换的逻辑门断开与时钟的连接，从而降低功耗。
这种方法在设
计中常被用于减少动态功耗的消耗。
采用时钟门控技术可以减少动态供电峰值。
时钟边沿触发的逻辑门切换
会导致电路中的供电峰值增加。
为了降低这种动态供电峰值，可以采用手动
插入一些延迟逻辑，将多个逻辑门的切换时间错开，从而减少电路中的同时
切换。
使用数据压缩和编码技术也是降低功耗的有效方法。
数据压缩可以减少
数据传输所需的比特数，从而减少功耗。
编码技术可以将原始数据转换为一
种更紧凑、更高效的编码格式，进一步降低功耗。
合理设计电源网络也可以减少功耗。
通过优化电源网络的连接方式和电
源线的布局，可以减少电路中的功耗损失。
同时，选择低功耗器件和适当设
置电源的供电电压也是有效的功耗降低策略。
在RTL设计阶段，降低功耗是一个需要重视的问题。
采用时钟门控技术、数据压缩和编码技术、合理设计电源网络等方法可以有效降低功耗，并提高
电路的性能和可靠性。
同时，合理的电路布局和器件选择也是降低功耗的关
键因素。
通过综合运用以上方法，可以在RTL设计阶段实现功耗的有效降低。
VLSI课程论文低功耗设计方法的总结、低功耗设计的实践与未来展望
一、低功耗设计方法的总结近几年，集成电路的供电电压有所下降，功耗却增长了近两倍；由于芯片的面积不断减小，功率密度增加，带来了散热设计的难度和封装的成本不断增高。
而在现在智能手机在追求其高性能，从而导致其高消耗，基本上每天都需给手机充电，甚至得带个充电宝才能满足其电量。
随着时间的发展集成电路性能的提高和功耗越发矛盾，未来的发展方向是可佩带设备，比如说现在的谷歌眼镜，谷歌眼镜在拍摄状态下30分钟电量就会用完，在轻便的同时电量不足以提供长时间使用，低功耗是一个不错的选择。
可佩带设备是现在全球的的发展趋势，索尼和三星在研发智能的手表，可以实现接听电话，查看短信邮件和一些互联网社交上的有一些功能。
带系统了，功能多了，必然会非常耗电。
如果集成电路在未来发展上即可把性能提高，又把耗能降低，在未来的集成电路会带动新的数码世界的高度。
以下讨论功耗是如何产生的以及低功耗的设计方法。
1、功耗的产生CMOS 电路的功耗可分为静态功耗和动态功耗两大类，而动态功耗中可分为开 关功耗和内部功耗。
1）静态功耗。
静态功耗是当逻辑门没有开关时所消耗的能量，是亚阈值漏电流所致，总漏电流功耗为设计各单元功耗之和2）开关功耗。
是驱动输出单元的输出端的负债电容冲放电的功耗∑∀⨯=）（）（i i L oadiDD f CV nets 2c )(P （公式1）显然通过（公式1），在设计电路的时候通过减小供电电压可以明显的减小开关功耗。
近几年Intel 公司他们提出的超级本就用的比正常电压的低的CPU ，也是降低其功耗。
3）内部功耗。
内部功耗是边缘边界以内的功耗，是由于开关过程中，一个电路通过单元内部的电容冲放电消耗的能量。
合理的结构设计和先进的技术工艺能很大的程度降低系统的功耗。
设计流程由三类功耗分析技术分别是RTL 级功耗分析、布局布线前门级功耗分析和布局布线后门级功耗分析。
分别基于RTL 级分析、布局布线前门级仿真和布局布线后门级仿真。
主要进行时序和面积的优化，以功耗优化为主。
芯片设计中的功耗估计与优化技术
芯片设计中的功耗估计与优化技术摘要:在芯片设计中,低功耗一直是一个重要的目标,受到封装、供电、散热的约束,并且最大功耗限制越来越严格。
在本文中,首先讨论了芯片中的功耗来源。
接着,阐述了在设计过程初期可以采用的几项可以降低功耗的技巧。
本文提出的方法用于架构设计和前段设计的初期,如功耗估计、低功耗架构优化和时钟门控等。
关键词:低功耗设计,功耗估计,功耗优化,时钟门控The technique of power estimation and optimization in ASIC designYU Li-bo(School of Microelectronics and Solid-State Electronics, UESTC, Chengdu, 611731, China)Abstract:Low-power design is an important goal for ASIC design, where constraints on packaging, power supply and heat dissipation continue to add increasingly strict limits to the maximum amount of power. In this paper, we discuss the sources of power consumption in modern chips. Then, we present several design strategies that can be used early in the design process to reduce power consumption. Our methods target the architectural and early front-end design phases, such as power-estimation, architecture optimization for low power and clock gating.keywords:low-power, power estimation, power optimization, gated clock1引言:功耗在芯片设计中的地位长期以来,设计者面临的最大挑战是时序收敛,而功耗处于一个次要的地位。
（数字IC）低功耗设计入门（五）
（数字IC）低功耗设计入门（五）二、RTL级低功耗设计（续）前面一篇博文我记录了操作数隔离等低功耗设计，这里就主要介绍一下使用门控时钟进行低功耗设计。
（4）门控时钟门控时钟在我的第一篇博客中有简单的描述，这里就进行比较详细的描述吧。
我们主要学习门控时钟电路是什么、什么使用门控时钟、综合库里的门控时钟、如何使用门控时钟、对门控时钟的一些处理、手动插入门控时钟。
我们重点介绍如何使用门控时钟和门控时钟的处理。
①门控时钟概述门控时钟有两种方案:一种直接针对寄存器的时钟进行门控，一种对模块级别的时钟进行门控。
相比之下，直接对寄存器的时钟进行门控更为灵活。
因为在很多时候，我们不能保证刚好将不需要门控的寄存器与需要门控的寄存器分配在不同的模块。
因此我们主要介绍寄存器级的门控时钟。
============================================================================= 下图是门控时钟的一个简单电路图：上述电路图中，将控制信号(EN)直接与时钟信号(CLK)进行与操作，以完成门控。
门控后的时钟信号GCLK送到寄存器阵列中。
这样，当EN为0时，该时钟被关掉。
相应的波形如下所示：可以看出，如果EN信号不加控制，会导致门控时钟信号出现毛刺。
时钟上的信号出现毛刺是非常危险的。
所以在进行门控时，为了使门控时钟不产生毛刺，使能信号必须满足条件:它是寄存器的输出，该寄存器的时钟信号与要门控的时钟信号是相同的。
由于上述原因，虽然采用这种门控方式最直接，但在实际中很少采用。
============================================================================== 为了解决这种问题，引入基于锁存器的门控时钟方案，如下图所示：对应的时序图如下所示：可以看到，这种方式消除了EN与CLK组合产生的毛刺对门控时钟的影响。
低功耗设计论文(5篇)
低功耗设计论文(5篇)低功耗设计论文(5篇)低功耗设计论文范文第1篇关键词:低功耗;SoC;CMOS;功耗估量;The Application of Low-Power Methods in SoC DesignAbstract: SOC design occupies an important position in IC design market. The low-power design is an important part in SoC design process. This paper firstly gives a comprehensive analysis of the composed of CMOS circuit power consumption and the related theory of power estimation, then analyzes the SoC low-power design theory of various design levels in detail.Keywords: low-power,SoC,CMOS,power estimation1引言随着工艺水平的不断进展,集成电路设计已经进入超深亚微米(Deep Sub-Micron,DSM)和纳米的SoC时代,设计规模越来越大,单一SoC芯片的集成度已经达到了上亿门。
在之前的集成电路设计中,设计者首要关怀的芯片性能往往是面积与速度,然后才是功耗。
到了深亚微米阶段,功耗设计在芯片设计中所占的比重开头上升到与面积和速度同等重要的程度,设计人员需从功耗、性能和成本三者之间取得折衷。
据统计数据分析,目前市场上的一些功能强大的微处理器芯片功耗可达100-150 W,平均功耗密度可达50-75 W/cm2。
而芯片上某些热点(hot spots)的功耗更是数倍于这一数值。
功耗问题的重要性在便携式数码产品芯片的设计中显现的尤为突出。
芯片设计中的功耗管理技术有哪些
芯片设计中的功耗管理技术有哪些在当今的科技时代，芯片作为各种电子设备的核心组件，其性能和功耗管理至关重要。
随着芯片的集成度越来越高，功能越来越强大，功耗管理成为了芯片设计中一个不可忽视的关键问题。
有效的功耗管理技术不仅能够延长设备的电池续航时间，还能降低芯片的发热，提高系统的稳定性和可靠性。
那么，在芯片设计中，都有哪些常见的功耗管理技术呢？动态电压频率调整（DVFS）是一种被广泛应用的功耗管理技术。
简单来说，就是根据芯片的工作负载动态地调整其电压和频率。
当芯片处理的任务较为简单，负载较轻时，降低工作电压和频率，从而减少功耗；而当处理复杂任务，负载较重时，相应地提高电压和频率，以保证性能。
这种技术就像是给芯片安装了一个智能的“油门”，根据实际需求灵活调节“动力输出”。
时钟门控（Clock Gating）也是一项重要的技术。
在芯片中，时钟信号是控制各个模块工作的“节拍器”。
但是，并非所有模块在任何时候都需要工作。
通过时钟门控技术，可以在不需要某些模块工作的时候，关闭其时钟信号，使其停止工作，从而避免不必要的功耗。
这就好比在一个工厂里，当某个生产线不需要运转时，就把它的电源关掉，节省能源。
电源门控（Power Gating）则是在芯片不工作的部分直接切断电源供应。
与时钟门控不同，电源门控是从根本上杜绝了漏电等功耗的产生。
但这种技术在重新启用被关闭的部分时，可能会有一定的延迟，所以需要在功耗节省和性能之间进行权衡。
多阈值电压（MultiThreshold Voltage）技术也是降低功耗的有效手段。
在芯片制造过程中，可以采用不同阈值电压的晶体管。
低阈值电压的晶体管速度快，但漏电功耗大；高阈值电压的晶体管速度较慢，但漏电功耗小。
通过合理地搭配使用不同阈值电压的晶体管，在保证性能的前提下降低整体功耗。
睡眠模式（Sleep Mode）和待机模式（Standby Mode）也是常见的功耗管理策略。
当芯片在一段时间内没有操作或处于空闲状态时，自动进入低功耗的睡眠或待机模式。
基于upf的低功耗设计方法研究与实现
摘要摘要随着集成电路设计技术的不断发展及半导体工艺的进步，芯片的集成度、复杂度不断提高并且工作频率也得到大幅度提升，这导致芯片的功率密度显著增大，其工作时产生的功耗急剧增加。
功耗的增加增大了芯片测试的难度，同时对芯片的散热和封装提出了更加严苛的要求。
另外，为了符合节能规范的要求以及迫于市场的压力，降低芯片的功耗已是大势所趋。
功耗已成为VLSI设计优化中继速度、面积之后另一个须考虑的重要因素。
本课题来源于实习期间所做的项目，研究了集成电路的低功耗设计方法并对显卡芯片中的一个接口模块进行了低功耗设计。
本文首先研究了集成电路中功耗的组成（包括静态功耗与动态功耗）和各种低功耗设计方法。
其次，本文还研究了统一功率格式UPF标准以及用UPF进行低功耗设计的流程。
通过把功耗相关信息统一描述在一个UPF文件中，并在整个集成电路设计流程中都采用这个UPF文件所提供的功耗意图，从而在很大程度上降低了低功耗设计的复杂度以及风险。
然后采用以下低功耗设计技术对接口模块进行低功耗设计：1)多阈值电压技术：用多阈值电压库进行综合，即采用one-pass流程。
2)门控时钟技术：在逻辑综合阶段，利用工具Design Compiler自动完成时钟门控单元的插入，无需修改RTL代码。
3)多电压域和门控电源技术：在逻辑功能描述正确的基础上，使用UPF来描述低功耗设计的意图、指标及参数，并且完成了基于UPF的逻辑综合。
最后，利用形式验证工具Formality对原始的RTL+ UPF文件与综合后的门级网表+新产生的UPF文件UPF’进行了等价性检查，用工具VCS对RTL和UPF进行了带电源信息的仿真（Power Aware Simulation），以此验证了低功耗设计的正确性。
此外，在低功耗设计正确的基础上，本文通过分析和比较采用不同技术进行低功耗设计前后的功耗结果，得出了以下结论：采用多阈值电压技术后明显改善了静态功耗，门控时钟技术可显著降低动态功耗，而门控电源和多电压域技术能同时降低动态功耗和静态功耗，可最大程度地节省功耗。
clock gating的验证方法
clock gating的验证方法Clock gating是一种常用的功耗优化技术，其原理是在时钟信号到达时钟门控器件之前将时钟信号屏蔽，以达到降低功耗的目的。
而针对这种技术，需要进行验证以保证其正确性和可靠性。
本文将介绍clock gating的验证方法。
1.功能仿真功能仿真是验证clock gating的最基本方法。
通常使用的是基于RTL级别的仿真工具，通过对设计的时钟门控电路进行仿真，验证电路在激励下的输出是否符合预期。
仿真测试包括了针对时钟门控器件的开启和关闭信号的测试，以及对整个时钟域的时序分析等。
2.时序仿真时序仿真是对时序电路进行验证的一种方法。
在clock gating设计中，时序仿真可以帮助验证时钟门控电路的时序逻辑是否正确。
时序仿真的过程是通过输入激励来模拟电路的时序行为，以检查电路的时序逻辑是否正确。
3.静态分析静态分析是验证clock gating的一种方法。
它可以被用来检查设计中的一些潜在错误，比如说时钟门控器件的开启和关闭信号的正确性。
静态分析可以通过在设计中检查时钟门控器件的状态、时钟域的分析和时序逻辑的检查等方法来实现。
4.形式化验证形式化验证是一种验证方法，它可以对设计进行形式上的证明，以证明设计的正确性。
在clock gating设计中，形式化验证可以对时钟门控电路的逻辑进行证明，以证明其正确性。
形式化验证的过程是通过形式化建模、状态探索和证明等步骤来实现。
5.物理验证物理验证是对设计进行布局和布线，以验证电路的物理特性是否符合预期的一种方法。
在clock gating设计中，物理验证可以通过对时钟门控电路的布局和布线进行验证，以验证电路的物理特性是否符合设计要求。
6.模拟验证模拟验证是对设计进行模拟和分析，以验证电路的性能和可靠性的一种方法。
在clock gating设计中，模拟验证可以用来验证时钟门控电路的性能和可靠性。
模拟验证的过程是通过激励输入和电路响应的分析来实现。
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优化设计
９ ８ ． １ ４ ％
９ １ ． ６ ４ ％
优化效果
３ ． ５ ６ ％
５ ． ８ １ ％
逻 辑 门控 技 术 我 们 还 是ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ 效率得到 ５ ． ８ １ ％的
提升， 寄存 器 功耗 得 到 １ ３ ． ５ ９ ％的节 省 。
当 然 ， 由于 引 入 了 额 外 的 控 制 逻
８ ５
８ ３ ％
组 合 电 路 功 耗 寄存 器 电路 功耗
面 积
３ ５ ０ ６ ４ ． ０ ｕ Ｗ １ ７ ５ ４ １ ． ３ ｕ Ｗ
６ ６ ９ ８ ４ ６ ６
３ ４ ６ ８ ２ ． ７ ｕ Ｗ ｌ ５ ｌ ５ ６ ． ９ ｕ Ｗ
表 １模 块 Ａ 功 耗 优 化 结 果
例和 ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ 效 率 不 是很 高 ，经 过
优化效果
１ ３ 。 ０ ５ ％
２ ７ ． Ｏ １ ％
对 比项
实现 ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ 插 入 的 寄存 器 比例
（ ４） 利用 形 式验 证工 具 Ｓ Ｌ Ｅ Ｃ完 成 原始 设 计 和
优 化设 计 在功 能 上的一 致性 验证 ； （ ５） 对 优化 的 Ｒ Ｔ Ｌ代 码 进行 功 能仿 真 ， 得到 新 的仿真 波形 文件 ；
参考文献
［ １ ］ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｐ ｒ ｏ Ｕ ｓ ｅ ｒ Ｍａ ｎ ｕ ａ ｌ ， Ｃ ｌ ａ ｙ ｐ ｔ ｏ ， Ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ６ ． １
设计 中
原始设 计
７ ５
．
优化设计
８ ８ ． ８ ９ ％
５ ９ ． ９ ８ ％
门控 时钟 分 析 后 ， ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ比例 和效 率 以及 寄 存 器 功 耗 和 组 合 电路 功 耗 都
８ ４ ％
９ ７ ％
得 到 了改善 ，其 中 ， ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ比例 提 升了 １ ３ ． ０ ５ ％， ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ效 率 提 升 了 ２ ７ ． ０ １ ％ ， 寄 存 器 电 路 功 耗 节 省 了 １ ４ ． ０ ３ ％， 组合 电路 功 耗 节 省 了 １ ０ ． ９ １ ％。 对 于 Ｂ模块 ，原 始 的 ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ比例 和ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ效率 已经很 高 （ 分 别是 ９ ４ ． ５ ８ ％和 ８ ５ ． ８ ３ ％） ， 但 是 通 过利 用 时 序
最终 结果 如表 １和表 ２所示 。
赵斌， 高级工程师， 中国电子科技 集团公 司第三十八
研 究 所集成 电路设 计 中心。
我们看到 ， 对 于模块 Ａ， 原始 的 ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ比
ｋ ¨ ＾ ．，＾ …
…
＾ｉ …
， ’…
（ ６） 基于优化的 Ｒ Ｔ Ｌ代 码 和 新 的仿 真 波 形 文
作者简介
孙 大成 ， 工程 师 ， 中 国电子 科技 集 团公 司第三 十 八研 究所 集成 电路 设计 中心 。
件， 得到优化设计 的功耗值 ； （ ７） 通过 比较步骤 （ ２ ） 和（ ６ ） 的功耗数值来计 算出功耗的节省情况。
１ ８ ９ ０ ５ ５
ｌ ４ ． Ｏ ３ ％
— １ ． ６ ８ ％
表 ２ 模块 Ｂ 功 耗 优 化结 果
对 比项
实现 ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ 插 入 的 寄存 器 比例
设计 叶 １ ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ的效 率
原始设计
９ ４
３ ２
．
ｃ ｌ ｏ ｃ ｋ — ｇ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ的效 率 组 合 电 路 功 耗
１ ０ ８ ３ ． ３ ７ ｕ Ｗ
９ ６ ５ ． １ ４ ｕ Ｗ
１ ０ ． ９ １ ％
寄存器 电路功耗
面 积
２ ３ ７ １ ． ８ ４ ｕ Ｗ
１ ８ ５ ９ ２ ６
２ ０ ３ ９ ． ０ ８ ｕ Ｗ
生功耗 得 到优化 的 Ｒ Ｔ Ｌ代码 ；
５ 结 论
本 文对 门控 时钟技 术 ，特 别是 时 序逻 辑 门控技 术 进行 了介 绍 ，并将 该技 术应 用 于一 款 芯片设 计 当 中 。最终结 果 表 明 ： 采用 门控 时钟 技 术优 化后 ， 设 计 的功耗 得到 了显著降低 ， 门控 的效率也 得 到 了提 升 。 四
整 个流 程分 为 以下 几步 ：
减少 ， 可 以忽 略 。
（ １ ） 对Ｒ Ｔ Ｌ代码 进 行仿 真 ， 得 到 原 始设 计 的仿 真波 形文件 （ ｖ ｃ ｄ或 者 ｆ ｓ ｄ ｂ格式 ） ； （ ２） 基于 Ｒ Ｔ Ｌ代码 和 仿真 波 形 文件 ， 得 到原 始 设计 的功耗值 ； （ ３） 基于 Ｒ Ｔ Ｌ代 码 和仿 真 波 形 文 件 ， Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｐ ｒ ｏ 对 Ｒ Ｔ Ｌ代码 进行 功耗 的分析 和 优化 ， 并 最 终 自动产
６ ７ １ ０ ｌ ５ ２
１ ． ０ ９ ％ ｌ ３ ． ５ ９ ％
— ０ ． １ ７ ％
辑， 造 成 面积 有 所增 加 。经过 功 耗优 化 后， 模 块 Ａ的 面 积 增 加 了 １ ． ６ ８ ％， 模 块 Ｂ增 加 了 ０ ． １ ７ ％，但 这 些相 对 于 功耗 的