集成电路功耗优化技术综述

１ 集成 电路 的 功耗 来 源 分 析
２．１ 系统级
ＣＭＯＳ电路 的功耗一般 可 以表 示为 ： Ｐ：０．５ＣＵＤＤ ＋（）ｓｃＵＤｎ ＋ ｋＵＤＤ （１） 式 中 ：Ｐ—— 总 功耗 ；
Ｃ— —节点 电容 ； Ｕ。。— — 电源 电 压 ； Ｅ ——状 态转换 系数 ，即 每个 时 钟周 期 逻
辑 门状态转 换 的次数 ； 厂—— 工作 频率 ；
．
Ｑ —— 每次 转 换 瞬 时 短路 电 流 运 载 的 电 荷 ；
／＇ｌｅａｋ—— 泄漏 电流 ． 式 （１）中等号 右侧 第 １项 表示 电路 的状态 转 换 功耗 ，是 电路 中驱动 单元 输 出节点 发 生 状态 变 化 时对负 载 电容 进 行充 放 电 所消 耗 的功 率 ，在 活 动 的 电路 中 ，转 换 功耗 占总 功 耗 的 ７０％ ～９０％ ； 第 ２项是 短路功 耗 ，是 电路 中节 点在 翻 转过 程 中
第 ２７卷 第 ２期 ２０１１年 ４爿
上 海 电 力 学 院 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ
文 章 编 号 ：１００６—４７２９（２０１ １）０２—０１８７—０６
Ｖｏ１．２７． Ｎｏ．２ Ａｐｒ． ２０１１
对 便携式 系 统 来说 ，能 耗最 小 化 已成 为 系统 设计 过 程 中 一 个 最 重 要 也 是 最 具 有 挑 战 性 的 问 题 ．该 挑 战来 自以下几个 因素 ：一是 越来 越 多 的手 持设 备 系统利 用 电池供 电 ，需 要 通 过 降 低 功耗 来 延长 电池 的寿命 … ；二是 半 导 体 工 业 的 迅 速发 展 在提 高 系统集 成度 和时钟 频率 的 同时也 导致 了系 统 功 耗 的急 剧 上 升 ，带 来 了热 量 释 放 问题 ２ ；三
关 键 词 ：低 功 耗 ；动 态功 耗 优 化 ；静 态 功 耗 优 化 ；动态 电 源 管理
中 图分 类 号 ：ＴＰ３２３．２；ＴＰ３６８．１
文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｏ ｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ
Ｗ ＥＩ Ｃｈｕｎ－ｊｕａｎ，Ｌ０ Ｊｉａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ
收 稿 日期 ：２０１０—０７—１０ 通 讯作者简 介 ：魏春娟 （１９８３一），女 ，博士 ，讲师 ，宁夏青铜峡人．主要研究 方 向为数 字电路 低 功耗设计 和嵌 入式系
统 设 计 ．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｅｉｃｊ１２２７＠ｙａｈｏｏ．ｅｏｍ．ｃａ． 基 金项 目：上海市重点科 技攻 关计 划 （０８１６０５１０６００，０９１６０５０１７００）；上海市 教育 委员 会 科研 创新项 目（０９ＺＺ１８５，
是 能 量价 格 的上 浮 、绿色 电器 的深入 人心 ，以及 人 们对环境问题的关心程度越来越高 ，也进一步说
明 了系统低 功耗 设计 的重 要 性 ． 随着集 成 电路工 艺 向超 深亚 微米 和纳米 数量
级 的飞速发 展 ，如 何 降低 集 成 电路 的功耗 成 了与 速 度 、面积 同等重 要 的问题 ，功耗 制约着 芯片性 能 的进一 步提 高 ，并 且增 加 了集 成 电路 的成本 ．高集 成度和高速器件 的应用 ，特别是 当今移动设备和 电池 供 电设备 的大 规 模推 广 ，使 得 功 耗 问题 变 得 越来 越 突 出 ．近 年来 ，有 关 低 功 耗 领 域 的 研 究 很 多 ，主要 分为功 耗 估计 、低 功 耗 设计 （又称 功 耗 优
０９ＹＺ３３７）．
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化 ）及低 功耗 测试 ３大类． 本 文 主要分 析 了集成 电路 的功 耗 来 源 ，探讨
了 目前 功耗 优化 的热点 问题 ，并指 出了低 功 耗设 计 的新 方 向．
切相 关 的 ，降低 芯 片 的工 作 电压 和工 作 频率 依 然 是低 功耗设 计 的重 要 内容 ．由于 在 硬 件设计 流 程 中不 同的设 计层 次 有 不 同 的特 点 ，因 而不 同层 次 上 的动态 功耗优 化空 间也各有 差异 ．
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｕｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ＩＣ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｂｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｅｄ ａｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ． Ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅｍ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ． Ｔｙｐｉｃａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈ ｍｓ ａｍｏｎｇ ｅａｃｈ ｃａｔｅｇｏｒｙ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｈｏｔ ｉｓｓｕｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｅｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ， ｄｙｎａｍ ｉｃ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｃａｌｉｎｇ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ ｔｈａｔ ｒｅｍａｉｎ ｕｎｓｏｌｖｅｄ ａｒｅ ｓｕｍｍ ａｒｉｚｅｄ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｓｔａｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍ ｅｎｔ
集 成 电 路 功 耗 优 化 技 术 综 述
魏 春 娟 ，吕 剑
（上海０９０）
摘 要 ：数字电路的低功耗设 计主要 分为动态 功耗 优化 和静 态功耗 优化两类 ．对 这两类 方法分别 进行 了探 讨 ，介绍 了现存的典型算法 ，分析 了 目前 功耗 优化 的热点问题 ，如微处理器 设计 、动态 电源 管理和动态 电压 调 整等 ，指 出了当前仍需要解 决的问题 ．