集成电路低功耗设计方法

2017-04-13成都七中高新校区刘斌垚

电子世界 2017年22期

成都七中（高新校区）刘斌垚

集成电路低功耗设计方法

成都七中（高新校区）刘斌垚

信息化的社会发展无法离开电子产品的不断进步，而其对其低功耗的设计要求正在不断增强。但当前电子产品的功能质量在提高的同时，其功耗却设计却没能跟上设计的要求，一直处于上升趋势，这将对电子产品性能的提高产生一定的影响，因为笔记本电脑、平板、移动设备等的使用都需要依靠电池来提供能量，因此，一款经久耐用、性能强的电子产品必须具备水平相当的低功耗设计方式。基于此，本文主要探讨了集成电路的低功耗设计方法，以作为相关参考。

集成电路；低功耗设计；方法探析

如果说信息产业是世界上发展最快的产业的话，那么支撑其迅速发展便是集成电路的设计与应用，这说明了集成电路的设计对于信息产业的重要作用。但目前集成电路的低功耗设计成为了信息产品获得进一步发展的重要障碍，如何对集成电路进行更加优化的设计，是信息科技前沿需要认真思考并积极探索的问题。

1.低功耗设计具体内涵分析

目前，随着信息科技的深入发展，集成电路技术也正以日新月异的姿态向前发展，其复杂程度也不断增加，电路的性能得到了大幅提升，而这也对集成电路低耗能设计带来的极大的挑战，因为这不同于早期的电路设计，其规模较小，工作频率也低，对于功能的消耗并不突出，但随着集成电路发展水平越来越高，设计的复杂程度也越来越强，譬如，一个集成电路上单个芯片就可以汇集上千万个晶体管及其他微处理器，其工作频率也早就达到了GHz的级别。因此，信息产品对功能的消耗量也就越来越大，低功耗的集成电路设计成为了信息产业最大的挑战之一。

2.低功耗设计的相关方法探析

2.1 工艺级功耗优化分析

在工艺级功耗优化分析方面，可从两个角度入手分析降低功耗设计的技术。首先，可以按照相应的比例缩小技术，再采用先进的工艺，将设备的电压消耗控制在最小限度。通过比例技术，能够有效缩短晶体管的比例，以及缩减互联线的比例。为实现缩短晶体管这一目标，需要缩减与之相关的器件的关键参数方式，从而能够在维持其性能稳定的同时，采用更加小的比例的沟道长度，这样既能够保证栅压缩技术的参数保持不变，又能够在横向方面有效缩小器件，并实现缩短其延长的时间。在互联线方面，也应按照相关比例缩小其整体的尺寸，但这方面需要更加细致精湛的工艺，才能避免系统噪音增加的可能，提升电路运行的可靠性。第二个方面是封装技术。可以通过封装技术实现芯片与外界充分的隔离，减少外界空气对系统电气设备带来腐蚀的可能性。但在封装的过程中，可能会对芯片的功耗产生巨大影响。因此，需要采取合理的芯片封装技术，这样有利于强化芯片的散热功能。还可以使用多芯片封装的方式，先降低I/O接口的相关功能，将电路的延迟问题控制住，从而达到优化电路的目的。

2.2 电路功耗优化分析

在电路级的功耗方面，其通常为动态的逻辑设计，尤其在超大规模的电路中，包括数量庞大的电路逻辑结构，如动态逻辑与静态逻辑，各个结构都具有各自的功能体系，在静态的逻辑结构中，其功耗的消耗比较大。在动态的电路设计中，可以通过时钟信号进行控制，从而进入到预充电模式，并能够与求值模式进行相互切换，在该逻辑设计与控制中，由于其所需要的晶体管数量十分少，因此，其功能消耗的也就较少。

2.3 版图级低功耗优化

在进行版图级方法进行优化设计之前，需要先对互联线和器件进行优化设计。首先，对器件的优化方面，主要是对器件尺寸的优化设计，其尺寸越优化，所耗费的能耗就越低。而在互联线的优化设计中，则需要将各个不同的期间全部都结合起来，以最大程度消除互联线带来的不良影响。在早期的集成电路中，对设备的开关速度控制的方式所起到的作用不是很明显，阻抗不是很大，因此其功耗也较低。而随着电子产品的不断发展，整个设备对开关的控制也越来越明显，然而其导线的RC的延迟却在增加，进而导致逻辑结构同样被延迟。因此，在对信号进行布线的过程中，需要在横截面大且间距较大的顶层之内布置金属线，才能达到缩短延长时间的效果，实现低耗能。

2.4 门级低功耗的优化设计

这方面的低功耗设计可以通过路径的平衡、单元的映射和公因子的提取等多个方面开进行优化。以单元的映射优化为例，可以通过选择基于图模式匹配的映射单元及映射算法，来对电路进行门级综合，并注意通过选择具有低功耗的单元库，可以达到更好的低功耗效果。再者，通过运用较小负载的漏记单元，可以实现控制其内部活动性较高的节点，从而降低能量损耗。这是一种通过对门级网表的优化设计和对布局布线的优化设计来实现低耗能的方式。在公因子的优化提取方面，通过优化提取方式可以实现简化电路逻辑的目的，并且还能将电路的翻转问题控制好，保持整个电路的稳定运行。根据电路的设计原理，采用不同的逻辑结构能够以实现同样的逻辑功能，可以让具有高翻转率的信号靠近设备的输出端，这样就能有效减少信号经过的器件数量，从而降低信号的负载量，实现低功耗。

2.5 系统功耗的优化分析

在整个电路系统的低功耗设计中，可以从以下几个方面进行设计：首先，是合理地划分软硬件，软硬件的设计需要从抽象的角度来进行，这样才能够将不同逻辑结构的功能集合在一起，还可以在对系统任务的描述中，综合其协同和仿真等，以达到降低功耗的目的。第二，是对功耗进行管理。在这个方面的设计过程中，需要结合电路的设计模式，将其闲置的元件设备充分利用起来，减少对电路能耗的浪费。对功耗进行管理可以从动态和静态的设计两个方面进行管理。在动态的设计方面，可以借助其中的调度系统，将尚未处于工作状态的功能自动进入到休眠的状态，当需要进入工作状态时，便能唤醒其功能。在静态功耗管理方面，则需要对整个系统设备的工作状态进行监测，实现对整个系统待机模式的功能消耗状态的有效管理。第三，是对指令的优化。在这个过程中需要选择合理的指令方式或者实现对提升指令的读取速度，以此增强信号的强度，促进系统低耗能的实现。