隨著工藝節(jié)點的不斷發(fā)展（現(xiàn)在普遍是28nm,22nm,16nm,14nm,甚至有的都在做7nm）,芯片的性能需求越來越高，規(guī)模也越來越大，數(shù)字IC設(shè)計工程師對芯片的功耗也越來越關(guān)心了，特別是移動端的消費類電子產(chǎn)品，對芯片的功耗要求特別高，一旦功耗太大，整個產(chǎn)品可能就是一個暖手寶，甚至整個芯片的性能會大大地打折扣，無法滿足實際應(yīng)用需求。那么，今天小編就帶領(lǐng)大家一起來回顧下功耗的定義及其組成部分，并總結(jié)降低功耗的若干種常用方案。

芯片功耗分為動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩大部分。

圖1 動態(tài)功耗示意圖

動態(tài)功耗是電路在工作時（翻轉(zhuǎn)時）所消耗的能量。對于CMOS電路來說，它又分為開關(guān)功耗和短路功耗。開關(guān)功耗為電路翻轉(zhuǎn)時對負(fù)載電容充電的功耗，短路功耗為輸入翻轉(zhuǎn)時，PMOS和NMOS同時打開的瞬間電流形成的功耗。用公式描述可寫為：

Pdyn = (CL * Vdd2 * Ptran * F) + (ttran * Vdd * Ipeak * F)

其中，CL為電路總負(fù)載電容；Vdd為工作電壓；Ptran為工作電路所占比例；F為工作時鐘頻率；ttran為PMOS，NMOS同時導(dǎo)通時間；Ipeak為短路電流。

公式中第一部分為開關(guān)功耗，第二部分為短路功耗。一般來說，只要gate的slew足夠小，也就是ttran足夠快，短路功耗一般可以忽略。

從公式中可以看到降低動態(tài)功耗的思路，可以從Vdd、F、CL和降低gate翻轉(zhuǎn)次數(shù)等方面來設(shè)計降低功耗的方案。

再來說說靜態(tài)功耗。靜態(tài)功耗是電路在沒有翻轉(zhuǎn)時，晶體管中漏電流造成的功耗。根據(jù)重要性可以分為以下四個部分：

1.亞域值漏電流Isub: 從Drain經(jīng)過弱反形層流向Source的電流

2.柵電流Igate：由于隧道效應(yīng)和熱載流子效應(yīng)，由Gate經(jīng)薄柵氧流向Sub的電流

3.由Gate引起的Drain電流IGIDL：由于Drain端的強(qiáng)電場引起的由Drain流向Sub的電流

4.結(jié)反偏電流Irev：反偏結(jié)耗盡區(qū)少子漂移和電子空穴對產(chǎn)生形成的由Drain、Source到Sub的電流。

圖2 leakage電流示意圖

那么，在數(shù)字IC設(shè)計中，我們常見的降低功耗的方法有哪些呢？小編特地做了一個小歸納，方法如下：

1.clock gating 門控時鐘技術(shù)。眾所周知，在數(shù)字IC設(shè)計中，時鐘信號的翻轉(zhuǎn)率是比較高的，因此它的功耗約占整個芯片功耗的20-30%。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是時鐘信號一直是存活著的（常開），門控時鐘技術(shù)就是根據(jù)設(shè)計，將暫時不用的模塊的時鐘信號通過一個控制信號gating住，降低這個模塊的時鐘信號翻轉(zhuǎn)率，從而降低芯片功耗的一種技術(shù)。clock gating的加法也有很多，有在rtl級就例化進(jìn)來的gating（往往是比較root的gating）,也有綜合階段工具自動加進(jìn)來的。從數(shù)字前端設(shè)計的角度，clock gating是想越靠近root端越好（因為一個gating可以控制更多的寄存器或者時鐘單元），一旦將某個gating關(guān)掉，能夠節(jié)省較多的功耗。因此，在數(shù)字后端實現(xiàn)過程中，經(jīng)常會碰到到gating使能端E pin的setup比較難meet,主要原因是這類gating比較靠近root導(dǎo)致的。關(guān)于如何fix clock gating使能端的setup會在后續(xù)更新文章中做詳細(xì)的分析。

2.power gating。在數(shù)字IC后端設(shè)計中，經(jīng)常采用這個策略降低功耗。在后端實現(xiàn)過程中，加入MTCMOS來控制標(biāo)準(zhǔn)單元的開關(guān)。

3.Multi vt cells 。這個就是在數(shù)字IC后端設(shè)計實現(xiàn)過程中，將某些不是critical path的地方盡量用HVT或者RVT，降低leakage。當(dāng)然這個需要與performance，area做一個tradeoff。因為用HVT或者RVT，由于timing不好meet，工具優(yōu)化的比較困難，可能反而會導(dǎo)致面積越優(yōu)化越大。

4.DVFS技術(shù)。DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)本質(zhì)上是一種低功耗技術(shù)，目的是根據(jù)的芯片當(dāng)時的實際功耗需要設(shè)定工作電壓和時鐘頻率，這樣可以保證提供的功率既滿足要求又不會過剩，從而可以降低功耗。比如數(shù)字芯片中，CPU模塊（比如8核cpu），在需要跑分的時候，將給cpu供電的電壓通過軟件調(diào)節(jié)到更高的電壓（overdrive）,獲得一個更高的頻率。在實際某個應(yīng)用場景下，可能cpu只需要一個較低的頻率時，可以將電壓調(diào)節(jié)成一個較低的電壓（underdrive）來實現(xiàn)。

一味的降頻降壓當(dāng)然是不能降低功耗的，因為低頻下運行可能使系統(tǒng)處理任務(wù)的時長增加，從而整體上可能反而增加了功耗。所以DVFS的核心是動態(tài)調(diào)整的策略，其目的是根據(jù)當(dāng)時的系統(tǒng)負(fù)載實時調(diào)整，從而提供滿足當(dāng)時性能要求的最低功率，也就達(dá)到了最低功耗。制定調(diào)整策略前，先找出系統(tǒng)中的耗電大戶即CPU GPU這些模塊。需要統(tǒng)計出這些模塊的負(fù)載情況，基本的策略當(dāng)然是工作負(fù)載增加則升頻升壓，工作負(fù)載降低則降頻降壓。

5.Well bias。這個方法可以動態(tài)調(diào)整偏置電壓，從而實現(xiàn)降低功耗的目的。