微處理器的低功耗芯片設(shè)計技術(shù)詳解

　　2 常用的低功耗設(shè)計技術(shù)

　　低功耗設(shè)計足一個復(fù)雜的綜合性課題。就流程而言，包括功耗建模、評估以及優(yōu)化等;就設(shè)計抽象層次而言，包括自系統(tǒng)級至版圖級的所有抽象層次。同時，功耗優(yōu)化與系統(tǒng)速度和面積等指標(biāo)的優(yōu)化密切相關(guān)，需要折中考慮。下面討論常用的低功耗設(shè)計技術(shù)。

　　2.1 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)

　　由式(1)可知，動態(tài)功耗與工作電壓的平方成正比，功耗將隨著工作電壓的降低以二次方的速度降低，因此降低工作電壓是降低功耗的有力措施。但是，僅僅降低工作電壓會導(dǎo)致傳播延遲加大，執(zhí)行時間變長。然而，系統(tǒng)負(fù)載是隨時間變化的，因此并不需要微處理器所有時刻都保持高性能。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)DVS (Dynarnic Voltage Scaling)技術(shù)降低功耗的主要思路是根據(jù)芯片工作狀態(tài)改變功耗管理模式，從而在保證性能的基礎(chǔ)上降低功耗。在不同模式下，工作電壓可以進行調(diào)整。為了精確地控制DVS，需要采用電壓調(diào)度模塊來實時改變工作電壓，電壓調(diào)度模塊通過分析當(dāng)前和過去狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況的不同來預(yù)測電路的工作負(fù)荷。

　　2.2 門控時鐘和可變頻率時鐘

　　如圖1所示，在微處理器中，很大一部分功耗來自時鐘。時鐘是惟一在所有時間都充放電的信號，而且很多情況下引起不必要的門的翻轉(zhuǎn)，因此降低時鐘的開關(guān)活動性將對降低整個系統(tǒng)的功耗產(chǎn)牛很大的影響。門控時鐘包括門控邏輯模塊時鐘和門控寄存器時鐘。門控邏輯模塊時鐘對時鐘網(wǎng)絡(luò)進行劃分，如果在當(dāng)前的時鐘周期內(nèi)，系統(tǒng)沒有用到某些邏輯模塊，則暫時切斷這些模塊的時鐘信號，從而明顯地降低開關(guān)功耗。圖3為采用“與”門實現(xiàn)的時鐘控制電路。門控寄存器時鐘的原理是當(dāng)寄存器保持?jǐn)?shù)據(jù)時，關(guān)閉寄存器時鐘，以降低功耗。然而，門控時鐘易引起毛刺，必須對信號的時序加以嚴(yán)格限制，并對其進行仔細的時序驗證。

　　另一種常用的時鐘技術(shù)就是可變頻率時鐘。它根據(jù)系統(tǒng)性能要求，配置適當(dāng)?shù)臅r鐘頻率以避免不必要的功耗。門控時鐘實際上是可變頻率時鐘的一種極限情況(即只有零和最高頻率兩種值)，因此，可變頻率時鐘比門控時鐘技術(shù)更加有效，但需要系統(tǒng)內(nèi)嵌時鐘產(chǎn)生模塊PLL，增加了設(shè)計復(fù)雜度。去年Intel公司推出的采用先進動態(tài)功耗控制技術(shù)的Montecito處理器，就利用了變頻時鐘系統(tǒng)。該芯片內(nèi)嵌一個高精度數(shù)字電流表，利用封裝上的微小電壓降計算總電流;通過內(nèi)嵌的一個32位微處理器來調(diào)整主頻，達到64級動態(tài)功耗調(diào)整的目的，大大降低了功耗。