前言
一、数字芯片的功耗定义
动态功耗
静态功耗
二、如何降低功耗？
2.1 降低动态功耗
2.2 降低静态功耗
总结
前言
零基础初学数字IC，学会什么写什么，与大家一起进步。
最近面试过程中经常被问到有关功耗的问题，回答的不是很好，所以本篇中主要总结一下与功耗相关的问题，以便后续复习。
一、数字芯片的功耗定义
数字芯片的功耗可以分为两个部分：动态功耗和静态功耗。动态功耗是芯片正常工作时由于信号翻转产生的功耗，静态功耗是电路在通电但是不工作时产生的功耗。
动态功耗
动态功耗（Dynamic Power）= 翻转功耗（Switch Power） + 短路功耗（Internal Power）
翻转功耗：芯片在工作过程中，由于负载电容进行充放电导致的功耗；
短路功耗（Internal Power）：信号的翻转不是在瞬时完成的，那么在翻转的过程中总有一段时间会导致NMOS和PMOS同时导通，那么相当于在VDD和GND之间形成了短路，由此产生的功耗就是短路功耗；
静态功耗
静态功耗（Leakage Power）主要是由于泄露电流而导致的功耗，在CMOS 门中，漏电流主要来自4个源头：
- 亚阈值漏电流(Sub-threshold Leakage, ISUB）: 亚阈值泄漏电流是晶体管应当截止时流过的电流；
- 栅极漏电流(Gate Leakage, Igate): 由于栅极氧化物隧穿和热载流子注入，从栅极直接通过氧化物流到衬底的电流；
- 栅极感应漏电流(Gate Induced Drain Leakage, IGIDL): 结泄漏电流发生在源或漏扩散区处在与衬底不同电位的情况下。结泄漏电流与其他泄漏电流相比时通常都很小。
- 反向偏置结泄漏(Reverse Bias Junction Leakage ,IREV):由少数载流子漂移和在耗尽区产生电子/空穴对引起。
静态功耗可以看作是 电压，阈值电压 和 晶体管尺寸的函数。
二、如何降低功耗？
2.1 降低动态功耗
电压角度：
- 降低工作电压；
- 使用多电压域：对于不同 function 的 blocks 和 modules 提供不同的电压；例如，对于存储器采用高电源电压来保证存储单元的稳定性，对于处理器采用中等大小的电压，对运行速度较低的IO外围电路采用低电压；决跨电压域信号传输的方法是使用电平转换器；
- 动态电压缩放技术 DVS（Dynamic voltage scaling）：芯片在运行的过程中动态的调整某些部分的电压；例如：处理器可以在不同的工作模式下使用不同的电压；
- 动态电压频率缩放技术 DVFS（Dynamic voltage frequency scaling）：芯片在运行的过程中动态的调整某些部分的电压和频率；这种技术需要软硬件协同处理；
- 电源关断 Power-gating；
负载电容角度：
- 合理的布局布线；
- 等比例缩小晶体管尺寸；
- 多芯片系统中可以考虑使用多芯片封装技术，降低接口电容；
- 减小逻辑深度；
数据翻转角度：
- 减少不必要的数据翻转；
- 当不需要操作时，数据保持不变，不强制置0或者置1；
- 使用格雷码等状态翻转较少的编码；
频率角度：
- 降低工作频率；
- 多时钟域；
- DVFS 动态电压频率缩放技术；
- 使用门控时钟，clock gating；
2.2 降低静态功耗
电压角度：
- 降低工作电压；
- 使用多电压域；
- 动态电压缩放技术 DVS（Dynamic voltage scaling）；
- 动态电压频率缩放技术 DVFS（Dynamic voltage frequency scaling）；
- 电源关断 Power-gating；
泄露电流角度：
-
提高使用高阈值电压的晶体管 HVT 的比例；
-
使用多种阈值电压的晶体管：对于不同的 blocks，modules 安排使用不同阈值电压的晶体管，实现 performance 和 power 的balance；
-
使用多栅氧厚度晶体管；
- 调节衬底电压，使晶体管处于反向体偏置；
总结
以上就是今天学习的数字芯片中功耗相关的内容，欢迎大家一起讨论交流~
参考资料：
IC设计中节省静态功耗和动态功耗的方法_降低动态功耗的方法_一点一点的进步的博客-CSDN博客数字IC笔试题（7）——低功耗设计【静态功耗】【动态功耗】
低功耗设计基础：深入理解Internal Power - 知乎 (zhihu.com)
