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《片上系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)的論文》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、片上系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)的論文 論文關(guān)鍵詞：集成電路低功耗設(shè)計(jì)soc 論文摘要：功耗問題正日益變成vlsi系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)限制因素。對便攜式應(yīng)用來說，其主要原因在于電池壽命，對固定應(yīng)用則在于最高工作溫度。由于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度在日益提高，導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗得到其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為依據(jù)，突出實(shí)現(xiàn)soc低功耗設(shè)計(jì)的各種級別層次的不同方法?！ ∫浴 ?0世紀(jì)80年代初到90年代初的10年里，微電子領(lǐng)域的很多研究工作都集中到了數(shù)字系統(tǒng)速度的提高上，現(xiàn)如今的技術(shù)擁有的計(jì)算能力能夠使強(qiáng)大的個(gè)人工作站、復(fù)雜實(shí)時(shí)語音和圖像識別的多媒體計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能
2、。高速的計(jì)算能力對于百姓大眾來說是觸指可及的，不像早些年代那樣只為少數(shù)人服務(wù)。另外，用戶希望在任何地方都能訪問到這種計(jì)算能力，而不是被一個(gè)有線的物理網(wǎng)絡(luò)所束縛。便攜能力對產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗加上嚴(yán)格的要求。由于傳統(tǒng)的鎳鉻電池每磅僅能提供20同樣的要求在個(gè)人通信領(lǐng)域也正在迅速地發(fā)展，如采用了復(fù)雜語音編解碼算法和無線電調(diào)制解調(diào)器的帶袖珍通信終端的新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)。已提出的未來個(gè)人通信服務(wù)pcs（personalmunicationservices）應(yīng)用對這些要求尤其明顯，通用可便攜多媒體服務(wù)是要支持完整的數(shù)字語音和圖像辨別處理的。在這些應(yīng)用中，不僅語音，而且數(shù)據(jù)也要能在
3、無線鏈路上傳輸。這就為實(shí)現(xiàn)任何人在任何地方的任何時(shí)間開展任何想要的業(yè)務(wù)提供了可能。但是，花在對語音、圖像的壓縮和解壓上的功耗就必須附加在這些可便攜的終端上。確實(shí)，可便攜能力已經(jīng)不再明顯地和低性能聯(lián)系在一起了；相反，高性能且可便攜的應(yīng)用正在逐步得到實(shí)現(xiàn)?！ ‘?dāng)功率可以在非便攜環(huán)境中獲得時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)的總理也變得十分關(guān)鍵。直到現(xiàn)在，由于大的封裝、散熱片和風(fēng)扇能夠輕而易舉地散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱，其功耗還未引起多大的重視。然而，隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加，要提供充分的散熱能力就必須付出重要代價(jià)，或使所提供的總體功能達(dá)到極限時(shí)，設(shè)計(jì)高性能、低功耗數(shù)字系統(tǒng)方法的需求就會變得
4、更為顯著。幸好，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)來克服這些矛盾?！ ∮捎诳梢愿叨燃桑⒕哂械凸?、輸入電流小、連接方便和具有比例性等性質(zhì)，cmos邏輯電路被認(rèn)為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術(shù)。下面研究cmos集成電路的功耗組成，概述實(shí)現(xiàn)集成電路——soc（systemonchip）系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)的諸多方法。目的在于揭示當(dāng)今電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、速度和其功耗的內(nèi)在聯(lián)系，在及在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向上潛在的啟示。 1cmos集成電路功耗的物理源 要研究soc的低功耗設(shè)計(jì)，首先要物理層次上弄清該集成電路的功耗組成，其次，才能從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上采用各種方法來節(jié)省功耗，達(dá)到低功
5、耗設(shè)計(jì)的目的。圖1為典型cmos數(shù)字電路的功耗物理組成?！ 。?）動態(tài)功耗 動態(tài)功耗是由電路中的電容引起的。設(shè)c為cmos電路的電容，電容值為pmos管從0狀態(tài)到h狀態(tài)所需的電壓與電量的比值。以一個(gè)反相器為例，當(dāng)該電壓為vdd時(shí)，從0到h狀態(tài)變化（輸入端）所需要的能量是cvdd2。其中一半的能量存儲在電容之中，另一半的能量擴(kuò)展在pmos之中。對于輸出端來說，它從h到0過程中，不需要vdd的充電，但是在nmos下拉的過程中，會把電容存儲的另一半能量消耗掉。如果cmos在每次時(shí)鐘變化時(shí)都變化一次，則所耗的功率就是cbdd2f，但并不是在每個(gè)時(shí)鐘跳變過程之中，所有的cmo
6、s電容都會進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換（除了時(shí)鐘緩沖器），所以最后要再加上一個(gè)概率因子a。電路活動因子a代表的是，在平均時(shí)間內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，每個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)所變化的幾率。最終得到的功耗表達(dá)式為：psos電路中，如果條件vtn<vin<vdd-
7、vtp
8、（其中vtn是nmos的門限電壓，vtp是pmos的門限電壓）成立，這時(shí)在vdd到地之間的nmos和pmos就會同時(shí)打開，產(chǎn)生短路電流。在門的輸入端上升或者下降的時(shí)間比其輸出端的上升或者下降時(shí)間快的時(shí)候，短路電流現(xiàn)象會更為明顯。為了減少平均的短路電路，應(yīng)盡量保持輸入和輸出在同一個(gè)沿上?！ ∫话銇碚f，內(nèi)部短路電流功
9、耗不會超過動態(tài)功耗的10%。而且，如果在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，vdd<vtn+
10、vtp
11、的時(shí)候，短路電流會被消除掉?！ 。?）靜態(tài)漏電功耗 靜態(tài)漏電掉的是二極管在反向加電時(shí)，晶體管內(nèi)出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象。在mos管中，主要指的是從襯底的注入效應(yīng)和亞門限效應(yīng)。這些與工藝有關(guān)，而且漏電所造成的功耗很小，不是考慮的重點(diǎn)。 表1為cmos集成電路中主要的耗電類型。類型公式比率動態(tài)功耗（semor幾倍軟件代碼軟件優(yōu)化32.3%功率管理clock控制10%～90%rtl級結(jié)構(gòu)變換10%～15%綜合技術(shù)合成與分解邏輯15%綜合技術(shù)映射門級優(yōu)化20%20%布局布局優(yōu)化20
