1 引言：功耗在芯片設(shè)計中的地位

　　長期以來，設(shè)計者面臨的最大挑戰(zhàn)是時序收斂，而功耗處于一個次要的地位。近年來，下面的因素使功耗日益得到設(shè)計者的關(guān)注：

　　1）移動應(yīng)用的興起，使功耗的重要性逐漸顯現(xiàn)。大的功耗意味著更短的電池壽命。

　　2）芯片集成度的提高，使供電系統(tǒng)設(shè)計成為挑戰(zhàn)。

　　隨著工藝的進步，芯片內(nèi)的電路密度成倍提高，并且運行在以前數(shù)倍的頻率之上，而片上連線則越來越細，片上供電網(wǎng)絡(luò)必須將更多的電力以更少的連線資源送至每個單元，如果不能做到這一點，芯片的穩(wěn)定性和預(yù)定工作頻率都將成為問題。IR壓降和供電網(wǎng)絡(luò)消耗的大量布線資源成為困擾后端設(shè)計者的重要問題，現(xiàn)在這種壓力正在一步步傳導(dǎo)到前端設(shè)計者的身上，要求在設(shè)計階段減少需要的電力。

　　3）功耗對成本的影響日益顯著

　　功耗決定了芯片的發(fā)熱量，封裝結(jié)構(gòu)需要及時把芯片產(chǎn)生的熱量傳遞走，否則溫度上升，造成電路不能穩(wěn)定工作。因此，發(fā)熱量大的芯片需要選擇散熱良好的封裝形式，或者額外的冷卻系統(tǒng)，如風扇等，這意味著成本的增加。

　　基于以上原因，功耗成為產(chǎn)品的重要指標與約束。下面的因素在設(shè)計之初，就應(yīng)當列入設(shè)計者的考慮范圍：

　　1）功耗目標的確定

　　a） 產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域中功耗指標的商業(yè)價值；

　　b） 封裝，制程的成本影響；

　　c） 實現(xiàn)的可行度，復(fù)雜度，由此帶來的設(shè)計風險和時程影響的評估；

　　d） 參考值的選取：根據(jù)同類產(chǎn)品，經(jīng)驗值，工具分析確定，并隨著設(shè)計的深入不斷修正。

　　2）優(yōu)化方案（策略）的設(shè)定

　　在進一步分析之前，我們先看一下功耗的組成。

　　2 功耗的組成

　　2.1 core power

　　功耗的組成包含RAM、ROM、時鐘樹（clock tree）和核心邏輯電路（Core logic）等四部分，下面依次來分析。

　　1）RAM

　　RAM功耗的計算是項復(fù)雜的任務(wù)，幸運的是，memory compiler可以為我們進行此項工作。關(guān)鍵點在存取每個端口的速率，這可以通過考慮存取pattern類型得到，或者通過仿真得到。建議在設(shè)計初期即生成不同參數(shù)（寬度，深度，速度，port數(shù)）的RAM/ROM的功耗數(shù)據(jù)，以利于設(shè)計探索。

　　2）時鐘樹

　　時鐘樹的功耗占到整個芯片功耗的40%~60%，因為它的高活動率（100%）和正負邊沿均消耗電力。

　　其中，電容包含寄存器的電容，驅(qū)動單元的電容和連線電容三部分。

　　3）核心邏輯電路

　　定義核心邏輯電路功耗為除時鐘樹外的組合與時序單元消耗的電力。由兩部分組成：

　　leakage current

　　capacitive loads

　　4）宏單元（macro cell）

　　多數(shù)芯片包含PLL等模擬macro，可以從庫提供商的數(shù)據(jù)手冊找到其功耗參數(shù)。設(shè)計者可以通過切分系統(tǒng)模式關(guān)閉不需工作的模塊，以減小功耗。

　　2.2 IO power

　　IO功耗包含IO單元、外部負載、外部終端等。因為需要驅(qū)動板級的連線，IO的電容會是內(nèi)部單元的數(shù)百倍量級，因此消耗較多的電力。有時候，IO的功耗可以占到整體功耗的很大比例，系統(tǒng)架構(gòu)可能因之改變，如：重新定義系統(tǒng)的劃分，以減少芯片-芯片的連接；選擇不同的IO接口協(xié)議，以減少能量消耗。IO功耗通常由系統(tǒng)架構(gòu)，接口帶寬與協(xié)議要求決定。一旦庫選定，設(shè)計者可以優(yōu)化的空間很小，但是核心的功耗是設(shè)計者可以減小的，在后面的篇幅中，我們將以核心功耗的估算與優(yōu)化作為主題。