SOC的低功耗设计

SOC 的低功耗设计

摘要 本文介绍了系统级芯片（SoC ）的低功耗趋势并分析了SOC 芯片的功耗情况，接着介绍了当前SOC 芯片低功耗技术的基础研究内容、主流的低功耗设计技术，最后介绍了最新的零翻转编码地址总线SOC 的低功耗设计技术。

关键词 SoC ，低功耗设计，零翻转编码地址总线SOC

从20世纪90年代后期SoC(System on a Chip)出现到现在，随着超深亚微米工艺的不断发展， SoC 的发展日新月异，基于SoC 的开发平台，分享IP 核开发与系统集成成果成为IT 行业发展的重要趋势，在此过程中价值链重整导致产品发展技术在关注面积、延迟、功耗的基础上，向高成品率、高可靠性、低成本、易用性等转移，功耗成为与面积和性能同等重要的设计指标。

低功耗需求是SoC 发展的推动力之一，如何降低功耗又是SoC 面临的艰巨任务之一。SoC 技术的发展使得单个芯片集成所有的处理部件成为可能，这些处理部件可以包括基本的晶体管、不同的处理器核、内存单元甚至模拟单元。包含了如此众多的部件，功耗设计将成为一个关键且复杂的课题。

这是因为：

● 能源限制，因为随着便携式移动通信和计算产品的普及，对电池的需要大大增强，但电池的技术相对落后，发展缓慢，这就需要在低功耗领域有所发展。

● 电路的功耗会全部转化成热能，过多的热量会产生焦耳热效应，加剧硅失效，导致可靠性下降，而快速散热的要求又会导致封装和制冷成本提高。

● 功耗大导致温度高，载流子速度饱和，IC 速度也无法再提升。

● 环保期望，功耗降低，散热也会减少，因而就会减少对环境的影响。

在解决低功耗问题的过程中，人们尝试了许多方法。在IC 发展的历史上，通过单纯在工艺上缩小器件体积和降低操作电压来降低功耗，已经取得了很大的成效，不过已经接近其物理极限。当前在超深亚微米工艺下的SoC 设计过程中，需要在系统级、体系结构级、RTL 、门级，到最后的版图级进行协同设计，才能同时保证提高性能和减少功耗。

一．SOC 器件的功耗分析

低功耗研究都从分析功耗的来源入手，主要立足于晶体管级，CMOS 功耗可分为三部分，一部分是电路在对负载电容充电放电引起的动态功耗，另一部分是由CMOS 晶体管在跳变过程中的短暂时间内，P 管和N 管同时导通而形成电源和地之间的短路电流造成的功耗，第三部分是由漏电流引起的静态功耗。式（1）、（2）是SoC 功耗分析的经典公式：

Leakage it ShortCircu Switching P P P P ++= （1）

leak short VI AVI f ACV ++=τ2 （2）

其中f 是系统的频率；A 是跳变因子，即整个电路的平均反转比例；C 是门电路的总电容；V 是供电电压；τ

是电平信号从开始变化到稳定的时间。

1．跳变功耗 跳变功耗是由每个门的输出端电容充放电形成的，以反相器为例，如图1所示，设Vin 是周期为T 的方波（上升和下降时间很小，忽略不计），当输入端Vin 从高电平变为低电平时，P 管逐渐打开，而N 管逐渐闭合，所以电源端Vdd 给电容CL 充电，V out 逐渐变为Vdd ；当Vin 从低电平变为高电平时，N 管逐渐打开，而P 管逐渐闭合，电容CL 开始放电到地，从而形成跳变功耗。

因此：

⎰⎰-+=T T out dd P T out N Switching

dt V V t i T dt V t i T P 2/2/0))((1)(1 ⎰⎰--+=00)()(dd dd V out dd out dd L

V out out L

V V d V V T C dV V

T C

T

V C dd L /2= 2dd L V fC = （3）

一个周期包含两个跳变。输出端从0变为1时，电源端损失能量为

22/V C dd L ，通过P 管时，能量消耗于阻性通路，以热量形式释放；当输出端从1变为0时，存储在电容L C 上的

22/V C dd L 通过N 管时转化成热能。当考虑所有晶体管时，公式（3）就变为公式（2）中的第1项。

因此跳变功耗主要研究器件工艺的工作电压如何降低，单元器件负载电容如何减小，部件

工作频率如何降低，电路活动因子如何减小等。

2．短路功耗

短路功耗也叫直通功耗。如图2所示，Vin 在高、低电平间不断变化的过程中，当VTn < Vin < Vdd －|VTp| 时（VTn 为N 型管导通电压值,VTp 位P 型管导通电压值），N 管和P 管都导通，从而有Vdd 到Ground 的通路，形成短路电流。短路功耗的公式是：

dd

mean it ShortCircu V I P .=T V V t dd 12/)(3τβ-=

（4）

其中τ为电平信号从开始变化到稳定的时间，β由电路的工艺决定，dd V 和t V 分别表示器

件电源电压和阈值电压，T 表示电路的跳变周期。

公式（4）是假设L C 对短路电流没有影响下推导出的，实际上当L C 变大时所需要放电时间延长，如果比输入端的上升和下降时间长得多，它就不能完全放电，故功耗也会减少。反之，L C 很小，就会导致相对于输入端的上升和下降时间太短，功耗会增大，所以半导体器件都设计成输入和输出端的上升和下降时间相当。

降低短路功耗主要包括如何降低器件工作电压，如何提高晶体管导通阈值电压，以及如何改善电路工艺等。

3．漏电功耗

漏电功耗包括由寄生反向PN 结漏电和亚阈区漏电引起的功耗，其中寄生反向PN 结漏电引起的功耗很小，可忽略不计，而亚阈区漏电流的公式如下：

)1()(tm DS tm T GS V V nV V V s sub e e

WI I ---= ∝

tm T V V e n - （5）

其中q kT V tm /=是热效电压，k 为普朗克常量，q 为单位电荷，T 为绝对温度；T V 为阈