鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設(shè)計 — 數(shù)?；旌想娐返牡凸脑O(shè)計方法(一)

2.1數(shù)字電路的低功耗設(shè)計

2.1.1數(shù)字電路的功耗模型和影響因素

以圖2.1.1所示的最基本的反相器單元為例，CMOS數(shù)字電路的功耗可以分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩個部分：



其中，靜態(tài)功耗



式中，第一項是P1和N1同時導(dǎo)通時的直流短路電流I SC引起的靜態(tài)功耗；第二項是由漏泄電流引起，包括亞閾值電流和源漏區(qū)與襯底反向偏置時的漏泄電流。



動態(tài)功耗是對電路節(jié)點等效負載電容進行充放電所消耗的，也稱為開關(guān)功耗，可表示為



式中，α₀→1是開關(guān)活動因子，表示每個時鐘周期內(nèi)的狀態(tài)跳變次數(shù)，其大小與電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能、輸入信號的狀態(tài)和節(jié)點的初始狀態(tài)有關(guān)，一般地，CMOS電路中有α₀→1≤1；C_L是等效負載電容；ƒ是時鐘頻率；V_DD是電源電壓。

在0.18μm及其以上的CMOS電路功耗中，占主導(dǎo)地位的是動態(tài)功耗，有時還需要考慮短路功耗，而在一般情況下，漏泄電流和穩(wěn)態(tài)偏置電流功耗都可以忽略。因此，要降低電路功耗，必然要從降低動態(tài)功耗入手，可以說，式（2.1.3）是低功耗數(shù)字電路的指導(dǎo)公式。

式（2.1.3）可以看出，降低電路的動態(tài)功耗，可以有以下四種途徑：

第一，降低開關(guān)活動因子α₀→1。在每個時鐘周期內(nèi)，并不是所有節(jié)點的狀態(tài)都發(fā)生跳變，也不是所有狀態(tài)的跳變都要消耗能量（如1→0的狀態(tài)轉(zhuǎn)變），所以降低開關(guān)活動因子的本質(zhì)是，根據(jù)輸入信號的組合狀況，通過優(yōu)化算法、邏輯結(jié)構(gòu)等方法，減小不必要的耗能跳變。常采用的方法有，門控時鐘技術(shù)、功耗估算/優(yōu)化CAD技術(shù)和降低跳變編碼技術(shù)。由于快速、準(zhǔn)確地估算α₀→1有很大的難度，所以急待開發(fā)實用的功耗估算CAD技術(shù)；其次，降低α₀→1來降低動態(tài)功耗十分有效，并且有很大的潛力，所以這也是低功耗研究的重要方面之一。

第二，降低等效負載電容C_L。C_L主要由兩方面構(gòu)成：一方面是后續(xù)門的輸入門電容和反相器源漏區(qū)的電容，它們和器件工藝有關(guān)；另一方面互連線電容。

因此要降低C_L，可以采用優(yōu)化邏輯電路（如減小所用晶體管數(shù)目）、優(yōu)化晶體管尺寸、工藝映射中降低高活動因子的電容、版圖中合理布局等方法?？梢哉f，在設(shè)計的各個層次，都需要考慮到C_L對功耗的影響。

第三，降低工作頻率f.如果僅僅通過降低電路的頻率來降低功耗，則它必然是以犧牲速度為代價的。所以時鐘（頻率）管理的策略是，在保證電路主頻不變的情況下，通過多頻率技術(shù)，即在不同系統(tǒng)部分中分配不同的頻率，或者在設(shè)計版圖時優(yōu)化時鐘樹（Clock Tree），以盡可能地降低動態(tài)功耗。

第四，降低工作的電源電壓V DD。由于功耗和電源電壓的平方項成正比，所以這也是降低功耗最有效的方法。但在工藝尺寸確定、一級近似條件下，電路延遲與V_DD滿足下式即有T_d∝(C_dV_DD)/(V_DD-V_TH)²,其中W和L分別是器件的柵寬和柵長，μ為載流子遷移率，C_OX為氧化層電容，V_TH為MOS管閾值電壓。



正如圖2.1.2所示，從電路能量、延遲和工作電壓的關(guān)系中可以看出，當(dāng)V_DD在2.5V_TH到6V_TH的范圍內(nèi)，延遲和能量延遲積的變化比較平緩，在V_DD=3V_TH時，這兩者達到最低值。當(dāng)工作電壓繼續(xù)下降到接近V_TH時，延遲將急劇上升。

為了改善V_DD下降引起的電路速度下降，可以采用并行或流水線結(jié)構(gòu)，但這將使電路面積增大；另外一種補償方法是，通過降低V TH來增大V_DD /V_TH值，但同時電路漏泄電流將增加，這時可以采用可變電壓、可變閾值電壓技術(shù)解決；在一些非關(guān)鍵電路中，也可以采用多電壓、多閾值電壓技術(shù)加以補償。

2.1.2數(shù)字電路的低功耗設(shè)計方法

在目前ASIC設(shè)計過程中，常采用的是自頂向下（Top-Down）流程。對功耗的優(yōu)化也就可以考慮到，在不同的設(shè)計層次，有目的地選擇上述影響功耗的因素，在給定的性能約束下，實現(xiàn)功耗最小化的目標(biāo)。

從抽象層次來分，低功耗設(shè)計可以分為：系統(tǒng)級、結(jié)構(gòu)級/算法級、寄存器傳輸級、邏輯/門級和版圖級。在設(shè)計的不同層次，影響功耗的因素所起的作用各不相同，因此功耗優(yōu)化的效果也不同；綜合地看，在芯片設(shè)計時越早考慮低功耗，取得的效果也越顯著。

1系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)級

在這個層次上，從系統(tǒng)功能出發(fā)，分為靜態(tài)低功耗設(shè)計和動態(tài)功耗管理（Dynamic Power Management，DPM）技術(shù)兩種。靜態(tài)低功耗設(shè)計是在考慮系統(tǒng)的具體實現(xiàn)時，采用不同的電路結(jié)構(gòu)和不同的編碼方式，在設(shè)計階段（如綜合和編輯）實現(xiàn)低功耗；而動態(tài)功耗管理技術(shù)是和運行期間的行為密切相關(guān)，它需要充分考慮系統(tǒng)和任務(wù)或者和負載的關(guān)系，做出相應(yīng)的判決，來實現(xiàn)低功耗。

1）靜態(tài)低功耗方法

①電路結(jié)構(gòu)

并行（Parallelism）結(jié)構(gòu)是將一個數(shù)據(jù)處理功能模塊分為幾個相同的子模塊，并行處理數(shù)據(jù)，然后選擇對應(yīng)的輸出。這種方案允許在保持總模塊速度不變的情況下，降低各個子模塊的電壓、頻率等因素，使總功耗降低，但代價是將增加芯片的面積。

流水線（Pipeline）結(jié)構(gòu)是在保持總體速度不變的前提下，將數(shù)據(jù)分段后連續(xù)慢速處理，速度余量則可以通過降低電壓來降低功耗。如果和并行結(jié)構(gòu)相結(jié)合，就可以取得更好的功耗節(jié)省效果。

②電壓技術(shù)

和改進電路結(jié)構(gòu)一樣，電壓技術(shù)也是為了補償工作電壓的降低帶來的速度下降[26，27]。多電壓技術(shù)，是針對不同的性能要求，系統(tǒng)中各部分也采用不同的工作電壓以節(jié)省功耗，但這需要額外的片內(nèi)電壓轉(zhuǎn)換器。

③編碼優(yōu)化

常用的二進制編碼中，采用所有空閑的高位作符號擴展位，這將增加耗能的跳變。符號-數(shù)值編碼（如格雷碼等）方法只用最高位代表符號，如果用它來代替二進制編碼，可以減少由于數(shù)據(jù)符號改變而產(chǎn)生的功耗。

2）動態(tài)功耗管理技術(shù)

是系統(tǒng)級功耗優(yōu)化中的一個有效手段。根據(jù)負載的請求，子系統(tǒng)可以分為工作和空閑模式。在空閑模式下，可以將子系統(tǒng)關(guān)斷，進入低功耗的待機（Standby）

和不消耗能量的睡眠（Sleep）狀態(tài)；反之，則將子系統(tǒng)喚醒，進入正常的工作模式。

這種有選擇地關(guān)斷空閑的子系統(tǒng)，降低功耗的效果十分顯著，如在PC系統(tǒng)級功耗管理中，最常見的是將無執(zhí)行任務(wù)的硬盤和顯示器關(guān)斷以節(jié)省功耗。

這種方案的局限性在于，在功耗狀態(tài)切換過程中，通常有延遲，喚醒處于睡眠狀態(tài)的子系統(tǒng)也需要更多的能量。因此，DPM技術(shù)需要解決以下問題：一是何時將子系統(tǒng)關(guān)斷，關(guān)斷多久；二是是否值得關(guān)斷，即恢復(fù)狀態(tài)是否需要更多的能量。這些都是判決策略需要研究的內(nèi)容，目前最常用的方法可分為三種：基于超時（Timeout）的方法、基于預(yù)估算（Predictive）的方法、基于隨機理論（Stochastic）的方法。

和上述改變子系統(tǒng)的功耗狀態(tài)不同，動態(tài)電壓等比例變化（Dynamic Voltage Scaling， DVS）技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，基于區(qū)間（Interval-based）或基于線程（Thread-based）來預(yù)測系統(tǒng)負載[33，34]，動態(tài)地改變系統(tǒng)的工作電壓。動態(tài)電壓和頻率等比例變化（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）技術(shù)則是同時改變工作電壓和頻率，獲得最低的系統(tǒng)功耗。

和靜態(tài)低功耗設(shè)計相比，DPM技術(shù)由于要預(yù)測系統(tǒng)和負載、系統(tǒng)和電源的關(guān)系，動態(tài)地調(diào)整工作狀態(tài)、電壓和頻率，對系統(tǒng)工作狀態(tài)的建模、預(yù)測算法都更復(fù)雜，有更多的工作急待開展，但是可以肯定的是，DPM技術(shù)降低功耗的效果也更顯著。

2寄存器傳輸級

作為綜合（排序和分配）的高層次結(jié)構(gòu)，RTL層次將包含一個控制部分（也稱控制器）和一個操作部分（也稱數(shù)據(jù)通路），如圖2.1. 3所示。



數(shù)據(jù)通路以寄存器為特征，而控制器是由組合邏輯來實現(xiàn)，因此，RTL級低功耗設(shè)計的對象將是時序和組合邏輯，這可以采用硬件描述語言VHDL和VERILOG來實現(xiàn)。另外，RTL的抽象層次決定了它不可能涉及電源電壓和電容，因此降低功耗的途徑主要是降低開關(guān)活動因子，即減小寄存器和組合邏輯的跳變頻率。

1）操作數(shù)

在RTL層次，操作數(shù)分離（Operand Isolation ）是針對組合邏輯最常用的低功耗技術(shù)，其本質(zhì)是在組合邏輯模塊間加入一個鎖存器，當(dāng)鎖存器的使能無效時，寄存器保存值不加以更新，組合路徑被隔斷[36，37]。只有在進行有效運算時，組合邏輯才有耗能的跳變產(chǎn)生，這樣便降低了此模塊的功耗。

操作數(shù)變形（Operand Transformation）有時也稱為數(shù)據(jù)通路的重排序，即是指在不影響邏輯功能的條件下，以翻轉(zhuǎn)頻率最低為策略，對電路單元重新排序來降低功耗的技術(shù)。

2）門控時鐘技術(shù)

目前，門控時鐘（Clock-gated）技術(shù)被認為是最有效的降低功耗的方法之一，所控制的對象不僅可以是寄存器、鎖存器、時鐘產(chǎn)生電路等，甚至還可以利用門控時鐘分布來控制子系統(tǒng)。

以寄存器為例，門控時鐘的基本思想是，通過一個門控或使能信號來控制時鐘，即在所謂的門控時鐘單元的輸出端產(chǎn)生一個“門控時鐘”信號，代替寄存器原有的時鐘輸入信號。當(dāng)寄存器暫時不工作時，門控時鐘使寄存器處于不觸發(fā)的狀態(tài)，從而阻斷了輸入數(shù)據(jù)的更新，減少了無效的開關(guān)活動。在如圖2.1.4所示的門控時鐘單元中，常用鎖存器來防止使能信號傳播到輸出端時產(chǎn)生的毛刺。



應(yīng)該指出，時鐘頻率升高時，時鐘偏差（Clock Skew）的影響將不容忽視，由此將增加時鐘樹設(shè)計的復(fù)雜程度；考慮到門控時鐘邏輯的控制電路所產(chǎn)生的額外功耗，門控時鐘技術(shù)適合應(yīng)用在較高抽象層次；另外，在漏泄電流功耗為主時，門控時鐘的作用不大。

3邏輯/門級

這兩個層次的重要特點是可以在較寬的范圍內(nèi)應(yīng)用先進的低功耗技術(shù)。在邏輯優(yōu)化過程中，一些技術(shù)參數(shù)如電源電壓是固定的，當(dāng)要實現(xiàn)一個給定的邏輯時，設(shè)計的自由度可以在選擇功能和確定門單元的尺寸上。有較多的文獻研究了兩個層次的低功耗技術(shù)。

1）局部轉(zhuǎn)換技術(shù)：局部轉(zhuǎn)換（local Transformation）

包括工藝映射（Technology Mapping）、管腳變換（Pin Permutation）、狀態(tài)分配（phase assignment）等方法，通常是施加在門網(wǎng)表上，并且是針對具有大開關(guān)電容的節(jié)點。其基本思想為：在目標(biāo)節(jié)點附近，置換一個或幾個門單元，以減小電容和開關(guān)活動因子。但是，這種方法必須注意在短路電流和輸出功耗之間取得均衡。

在邏輯綜合階段，常用的轉(zhuǎn)換技術(shù)有工藝映射，其目的在于，將一個經(jīng)與工藝無關(guān)的優(yōu)化程序優(yōu)化后的邏輯網(wǎng)絡(luò)，映射到一個預(yù)定義門單元的目標(biāo)庫。映射策略如下：一是將具有高開關(guān)活動因子的節(jié)點映射到單元的內(nèi)部節(jié)點，以降低電容值；二是門單元尺寸的選擇要在單元的驅(qū)動能力和功耗之間取得折衷；三是與功耗相關(guān)的工藝映射方案中，還需要考慮小的延遲和面積映射。為了進一步降低功耗，在工藝映射前，通常要將具有復(fù)雜節(jié)點的原始電路分解成一系列具有基本功能的門單元，即所謂的工藝分解（Technology Decomposition）；當(dāng)一個電路完成映射后，還可以通過門重定義尺寸（Gate Resizing）和管腳變換，減小不必要的大尺寸的門單元和邏輯等效的管腳排列，來實現(xiàn)優(yōu)化功耗。

狀態(tài)分配是通過在節(jié)點間添加反相器，使操作的輸入信號反相，同時也使輸出反相。這種門級轉(zhuǎn)換技術(shù)減小功耗的途徑如下：一是加入的反相器增加了其它轉(zhuǎn)換的機會，可以和原有相鄰的反相器作相當(dāng)多的變換，如合并、撤消等；二是這種方法能將高開關(guān)活動因子節(jié)點通路上的反相器移走，從而具有更低的功耗。

2）預(yù)決算方法指在原有電路中，加入一個預(yù)決算（Pre-computation）邏輯電路的方法。其基本思想為：在提前一個時鐘周期內(nèi)，有選擇地預(yù)估算電路的邏輯輸出值，并在接下來的一個周期內(nèi)，關(guān)掉電路內(nèi)部的某些單元，降低節(jié)點的開關(guān)活動因子和電容來降低功耗。

3）新的邏輯電路結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)的類型和電路的功耗、面積、速度密切相關(guān)。為了獲得更低的功耗，有較多文獻研究了邏輯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

CPL（Pass Transistor Logic）是一種研究得較多的低功耗邏輯電路。它用兩組NMOS傳輸門實現(xiàn)互補的兩個邏輯信號，兩個PMOS管用作反饋管，將NMOS傳輸門傳輸?shù)母唠娖缴侠诫娫措妷?。CPL電路的優(yōu)點是輸入負載小，輸出驅(qū)動能力強，缺點是固有節(jié)點多、連線多、布線難度大。

動態(tài)邏輯電路有較低的功耗，尤其是動態(tài)差分邏輯因為具有更高的噪聲抑制特性而受到重視，文獻[49]提出了研究了有限擺幅邏輯（Swing Limited Logic，SLL），能夠在給定的電源電壓下實現(xiàn)高性能，能量延遲積比傳統(tǒng)的電路低一個數(shù)量級。

4版圖級

1）布局布線在低功耗版圖設(shè)計中，合理的布局布線是關(guān)鍵。傳統(tǒng)的布局和布線是以面積和延時為考慮重點，因此常常追求布線最短、電容最??；而面向低功耗的布局布線方法，不僅考慮傳統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，還要和設(shè)計中的信號活動性結(jié)合，以信號活動性和電容乘積最小為優(yōu)化目標(biāo)，實現(xiàn)低功耗[50]。

2）時鐘樹設(shè)計版圖設(shè)計中，時序電路是降低功耗的一個重點。在同步系統(tǒng)中，時鐘通常消耗總能量中很大的一部分；不同的設(shè)計目標(biāo)中，時鐘產(chǎn)生和時鐘分布的功耗所占系統(tǒng)功耗的比例可以達到30%甚至40%.在這個階段，時鐘網(wǎng)絡(luò)分布即時鐘樹結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以及驅(qū)動方式的選擇，利用緩沖器插入優(yōu)化和變線寬優(yōu)化，可以在節(jié)點延時和功耗之間取得折衷。另外，鑒于時鐘偏差對電路性能的重要影響，在保證電路時序的前提下，可以采用特定的非零偏差時鐘樹，來獲得有益的功耗降低以及時鐘頻率和電路穩(wěn)定性的改善。