(一)低功耗设计目的与功耗的类型

一、低功耗设计的目的

1.便携性设备等需求

  电子产品在我们生活中扮演了极其重要的作用,便携性的电子设备便是其中一种。便携性设备需要电池供电、需要消耗电池的能量。在同等电能提供下,低功耗设计的产品就能够工作更长的时间。时间的就是生命,因此低功耗设计是很重要的。便携性的设备需要低功耗设备,比如说手机,如果充电两小时,通话5分钟,这谁还买你的手机...

 

2.可靠性与性能的影响

  设备消耗电能,会产生热量;消耗的能量越多,产生的热量越多。发热越严重,热噪声越大,就会影响器件的正常工作,导致电路不能正常工作。发热量的增加,可能会使工作在1G下的电路,只能工作在500M,这就影响了速度,这最常见的就是手机的发热了,手机发热之后,便感觉卡卡的。

 

3.成本的影响

  如果不注意进行低功耗设计,那就可能导致后期的成本增加,从而导致整个系统的成本增加。例如,不进行低功耗设计,发热量就可能增加,在封装的时候,就需要考虑怎么给你这个芯片进行散热,从而增加了封装的散热成本。再比如,在进行系统组装的时候,如果那你的芯片功耗过大,就需要考虑在系统外给你进行散热,比如说添加一个风扇,发热很严重的甚至可以给你进行液体降温。这样子就在系统组装上面增加了组装成本。因此在设计初始进行低功耗设计是很重要的。

 

  ······

  当然,除了上面那三点之外,还有许多要进行低功耗设计原因,这里列出三点,主要是为了说明低功耗设计是以后的数字IC发展趋势之一,我们要注重低功耗设计。

 

 

二、功耗的构成/类型

  本小节主要一方面介绍一下功耗的构成,一方面介绍一下工艺库中的功耗模型。功耗的构成可以从两个角度来描述,一个是从功耗种类方面,另一个是从系统结构方面。我们在设计过程中,讨论比较多的往往是从功耗角度方面;工艺库中的功耗模型主要是结合工艺库来对功耗种类进行一些具体的、补充式的讲解。下面我们就来看看功耗的工程吧。

1.功耗的构成——按类型分

  低功耗按照类型分类呢,其构成主要有动态功耗、静态功耗、浪涌功耗这三种。在这第一小点我主要做一些简要的介绍,在后面的第三小点我将结合工艺库进行介绍。

  (1)动态功耗

  动态功耗包括:开关功耗或者称为翻转功耗、短路功耗或者称为内部功耗。

①开关功耗

  在数字CMOS电路中,对负载电容进行充放电时消耗的功耗,比如对于下面的CMOS非门中:

                 

当Vin = 0时,上面的PMOS导通,下面的NMOS截止;VDD对负载电容Cload进行充电,充电完成后,Vout的电平为高电平。

当Vin = 1时,上面的PMOS截止,下面的NMOS导通,负载电容通过NMOS进行放电,放电完成后,Vout的电平为低电平。

这样一开一闭的变化,电源的充放电,就形成了开关功耗,开关功耗Psitch的计算公式如下所示:

                 

  在上式中,VDD为供电电压,Cload为后级电路等效的电容负载大小,Tr为输入信号的翻转率(关于翻转率,我们在后面第三小点会进行介绍)。我们不必追究这个公式怎么得来,我知道这个功耗在这么计算就可以了,有兴趣的话,也可以深入探讨。

 

 

②短路功耗

  短路功耗也称为内部功耗,短路功耗是因为在输入信号进行翻转时,信号的翻转不可能瞬时完成,因此PMOS和NMOS不可能总是一个截止另外一个导通,总有那么一段时间是使PMOS和NMOS同时导通,那么从电源VDD到地VSS之间就有了通路,就形成了短路电流,如下面的反相器电路图所示:

       

短路功耗Pshort的计算公式如下所示:

               

 

上式中,Vdd为供电电压,Tr为翻转率,Qx为一次翻转过程中从电源流到地的电荷量。

 

  由此我们可以找到,动态功耗主要有开关功耗和短路功耗;其中开关功耗在动态功耗中占大部分比例;从上面的两个式子中我们可以看到,动态功耗主要跟电源的供电电压、翻转率、负载电容有关。

 

  (2)静态功耗

在CMOS电路中,静态功耗主要是漏电流引起的功耗,如下图所示:

             

漏电流有下面几个部分组成:

  ·PN结反向电流I1(PN-junction Reverse Current)

  ·源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2(Sub-threshold Current)

  ·栅极漏电流,包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3(Gate Induced Drain Leakage)

  ·栅极和衬底之间的隧道漏电流I4(Gate Tunneling)

一般情况下,漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流(进入超深亚微米工艺之后,隧道漏电流成为主要电流之一),因此下面就简单介绍一下这两种电流。

栅极泄漏功耗:在栅极上加信号后(即栅压),从栅到衬底之间存在电容,因此在栅衬之间就会存在有电流,由此就会存在功耗。

亚阈值电流:使栅极电压低于导通阈值,仍会产生从FET漏极到源极的泄漏电流。此电流称为亚阈值泄漏电流。在较狭窄的晶体管中,漏极和源极距离较近的情况下会产生亚阈值泄漏电流。晶体管越窄,泄漏电流越大。要降低亚阈值电流,可以使用高阈值的器件,还可以通过衬底偏置进行增加阈值电压,这些属于低功耗设计,我们在后面的低功耗设计中会进行讲解。

静态功耗的计算公式如下所示,Ipeak为泄漏电流:

                 

 

静态功耗往往与工艺有关,我们在第三小节中将进一步进行讨论。

 

  (3)浪涌功耗

  浪涌功耗是浪涌电流引起的功耗。浪涌电流是指开机或者唤醒的时候,器件流过的最大电流,因此浪涌电流也称为启动电流。一般情况下,浪涌功耗不是我们关注的地方,因此这里只是说明有这个功耗存在。

 

 

2.功耗的构成——按结构分

前面按照类型进行功耗分类,这里使用结构进行分类,也就是根据设备的结构或者设备的构成进行分类。(以SoC为例)主要分为:时钟树功耗、处理器功耗、存储器功耗、其他逻辑和IP核功耗、输入输出pad功耗。在不同的应用、设备中,这些功耗的比例不一样,但是时钟树、处理器、存储器占了绝大部分功耗,这是需要说明的。

 

 

3.工艺库中的功耗模型

前面介绍了功耗的构成,在这一小点中,将结合工艺库进行阐述功耗(的构成),同时结合工艺库举例说明功耗的计算。

  (1)工艺库中的功耗信息与计算

①开关功耗计算与相关库信息

  我们从前面知道,开关功耗主要就是对输出电容的充放电引起的,工艺库中有开关功耗有关的信息,如下所示:

      

  开关功耗可以用开关能量和翻转率来表示:P=E·Tr=C·v^2·T2,即开关能量E=CV^2。翻转率我们后面会进行说明,至于放在后面介绍翻转率,一个是即介绍即用,另外一个就是帮大家功耗的组成。

②内部功耗/短路功耗与相关库信息

  内部功耗前面我们也介绍了一些,这里再啰嗦一下,短路功耗/内部功耗是单元(比如说反相器单元)的输入从0到1或者从1到0的转换过程中,单元内部P管和N管同时导通那个瞬间的功耗,这不是因为单元损坏而产生的短路功耗 。工艺库中包含了单元的短路功耗,短路功耗由特性描述工具预先处理,存放在工艺库的功耗查找表里。也就是说,我们可以通过工艺库中内部功耗的相关参数,从而得到内部功耗。工艺库中内部功耗信息如下所示:

        

单元的内部功耗与其转换时间和输出电容负载有关,根据输入转换时间和输出电容的大小,在工艺库中进行查表,得到上升功耗和下降功耗,然后再根据下面的公式进行计算得到总的内部功耗:

Pi=(上升功耗+下降功耗)·0.5·Tr

需要补充一下,工艺库中比较精确的功耗模型,功耗与状态有关,与路径也有关,即state dependent path dependent,SDPD。

 

③静态功耗/漏电功耗与相关库信息

  静态功耗/漏电功耗也是由特性工具预先处理,存放在工艺库里面。工艺库中的静态功耗信息如下所示:

          

静态功耗跟单元的状态有关,也就是输入(或者说单元)在不同的状态下,对于的功耗不一样,通过状态进行查表,就可以得到相应的静态功耗了。

 

 

  (2)计算举例

①翻转率

  前面我们一直说翻转率,那么翻转率到底是什么呢?这里我们就来给大家介绍一下。

翻转率(Toggle rate,Tr):单位时间内信号(包括时钟、数据等等信号)的翻转次数。如下图所示:

               

信号在40ns时间内跳转了4次,翻转率为:Tr = 4/4ns = 0.1GHz

 

②动态功耗计算举例

  从前面中我们知道,在计算动态功耗的时候,我们才用到翻转率。其中开关功耗的表达式为:

                 

 

内部功耗的表达式为:

        Pi=(上升功耗+下降功耗)·0.5·Tr

 

现在我们使用翻转率和工艺库的功耗信息来计算一下电路的动态功耗,电路如下图所示:

                       

工艺库信息如下所示:

          

·动态功耗中的开关功耗计算:

             

根据公式,我们可以直接计算出开关功耗为:29.403uw

 

·动态功耗中的短路功耗/内部功耗:

              Pi=(上升功耗+下降功耗)·0.5·Tr

根据公式,我们先要查找工艺库得到上升(沿)功耗和下降(沿)功耗。输入转换时间为1.20000,输出电容负载为0.270000,因此对于的上升功耗和下降功耗分别为:0.214947和0.094129。因此总的内部功耗为:

             

 

·于是得到总的动态功耗为:

             

 

 

③其他事项

·单元的功耗可能与状态和路径有关,下图中:

           

左图是RAM单元,在读状态和写状态时,功率是不同的。此外,单元的功耗在不同的操作模式下也有不同的值。

右图表示了输入到输出的不同路径,路径不一样,功耗也是不一样的。

·工艺库有状态和路径不同时的功耗描述,即SDPD描述,如下图所示:

          

我们也可以在EDA工具中使用report_lib  slow  -power 命令列出库中的功耗信息:

               

      第一讲先整理到这里。

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/253930.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

(转)彻底学会使用epoll(一)——ET模式实现分析

注:之前写过两篇关于epoll实现的文章,但是感觉懂得了实现原理并不一定会使用,所以又决定写这一系列文章,希望能够对epoll有比较清楚的认识。是请大家转载务必注明出处,算是对我劳动成果的一点点尊重吧。另外&#xff0…

Apache 设置http跳转至HTTPS访问

为什么80%的码农都做不了架构师&#xff1f;>>> <VirtualHost>...</VirtualHost> 中添加如下配置 <IfModule mod_rewrite.c>RewriteEngine onRewriteCond %{SERVER_PORT} 80RewriteRule ^(.*)$ https://域名/$1 [R301,L] </IfModule> 转…

(二)功耗的分析

前面学习了进行低功耗的目的个功耗的构成&#xff0c;今天就来分享一下功耗的分析。由于是面向数字IC前端设计的学习&#xff0c;所以这里的功耗分析是基于DC中的power compiler工具&#xff1b;更精确的功耗分析可以采用PT&#xff0c;关于PT的功耗分析可以查阅其他资料&#…

Hibernate创建hqll时报错

Hibernate 问题,在执行Query session.createQuery(hql) 报错误 出错截图&#xff1a; 这条语句在java运行环境下&#xff0c;直接连数据库不出错&#xff0c;如果在hiberante,struts环境下就出错 出错原因&#xff1a;jar包冲突&#xff0c;struts2和hibernate框架中都有antlr包…

.NET Core TDD 前传: 编写易于测试的代码 -- 全局状态

第1篇: 讲述了如何创造"缝". "缝"(seam)是需要知道的概念. 第2篇, 避免在构建对象时写出不易测试的代码. 第3篇, 依赖项和迪米特法则. 本文是第4篇, 将介绍全局状态引起的问题. 全局状态 全局状态, 也可以叫做应用程序状态, 它是一组变量, 这些变量维护着…

(三)系统与架构级低功耗设计

前面讲解了使用EDA工具&#xff08;主要是power compiler&#xff09;进行功耗分析的流程&#xff0c;这里我们将介绍在数字IC中进行低功耗设计的方法&#xff0c;同时也结合EDA工具&#xff08;主要是Design Compiler&#xff09;如何实现。我们的讲解的低功耗设计主要是自顶向…

(四)RTL级低功耗设计

前面介绍了系统级的低功耗设计&#xff0c;换句话说就是在系统级降低功耗可以考虑的方面。系统级的低功耗设计&#xff0c;主要是由系统级设计、具有丰富经验的人员实现&#xff0c;虽然还轮不到我们设计&#xff0c;我们了解一下还是比较好的。我们前端设计人员的重点不在系统…

Unity3D 游戏前端开发技能树(思维导图)

如果做游戏也是一种游戏,那么这个游戏的自由度实在是太高了.(导图源文件链接&#xff1a;http://pan.baidu.com/s/1eSHpH5o 密码&#xff1a;qzl5) 最近要用思维导图软件Xmind把自己的思路好好捋一捋,算是温故知新吧. 转载于:https://www.cnblogs.com/qiaogaojian/p/6098962.ht…

SQL Server 死锁的告警监控

原文:SQL Server 死锁的告警监控今天这篇文章总结一下如何监控SQL Server的死锁&#xff0c;其实以前写过MS SQL 监控错误日志的告警信息&#xff0c;这篇文章着重介绍如何监控数据库的死锁&#xff0c;当然这篇文章不分析死锁产生的原因、以及如何解决死锁。死锁&#xff08;D…

关于web性能一些特性汇总

关于web性能一些特性汇总 DOMContentLoaded & load load事件是window对象上的事件。指的是网页资源已经加载完毕&#xff08;包括但不限于DOM、图片、音频、脚本、插件资源以及CSS&#xff09;。 DOMContentLoaded事件是document对象上的事件。指的是DOM已经加载完毕。IE中…

(五)门级电路低功耗设计优化

&#xff08;1&#xff09;门级电路的功耗优化综述 门级电路的功耗优化(Gate Level Power Optimization&#xff0c;简称GLPO)是从已经映射的门级网表开始&#xff0c;对设计进行功耗的优化以满足功耗的约束&#xff0c;同时设计保持其性能&#xff0c;即满足设计规则和时序的要…

Spring3向Spring4升级过程中quartz修改

为什么80%的码农都做不了架构师&#xff1f;>>> 问题 nested exception is org.springframework.beans.factory.CannotLoadBeanClassException: Cannot find class [org.springframework.scheduling.quartz.CronTriggerBean] for bean with name ... 原因 org.spri…

EasyUI--messager

1.    alert 方法 <script type"text/javascript">$( function(){$.messager.alert("调用messager","文本内容") ;});</script> 这里还可以通过icon添加相应的图标及info加入回调函数 <script type"text/javascript&quo…

Redis学习第八课:Redis高级实用特性(一)

Redis高级实用特性 注&#xff1a;我学习的环境是vmware7.1 ubantu10.10 redis 3.0.2 1、安全性 设置客户端连接后进行任何其他指定前需要的密码。因为redis速度相当快&#xff0c;一个外部用户可以在一秒钟进行很多次的密码尝试&#xff0c;这就需要设定非常强大的密码来防止…

分布式缓存的面试题9

1、面试题 如何保证缓存与数据库的双写一致性&#xff1f; 2、面试官心里分析 你只要用缓存&#xff0c;就可能会涉及到缓存与数据库双存储双写&#xff0c;你只要是双写&#xff0c;就一定会有数据一致性的问题&#xff0c;那么你如何解决一致性问题&#xff1f; 3、面试题剖析…

ROS与navigation教程——概述

navigation是ROS的二维导航功能包&#xff0c;简单来说&#xff0c;就是根据输入的里程计等传感器的信息流和机器人的全局位置&#xff0c;通过导航算法&#xff0c;计算得出安全可靠的机器人速度控制指令。 代码库&#xff1a;https://github.com/ros-planning/navigation 代…

【设计模式】单例模式 Singleton Pattern

通常我们在写程序的时候会碰到一个类只允许在整个系统中只存在一个实例&#xff08;Instance&#xff09; 的情况&#xff0c; 比如说我们想做一计数器&#xff0c;统计某些接口调用的次数&#xff0c;通常我们的数据库连接也是只期望有一个实例。Windows系统的系统任务管理器…

进程及线程通信总结

上文我们介绍了如何建立一个简单的多线程程序&#xff0c;多线程之间不可避免的需要进行通信 。相比于进程间通信来说&#xff0c;线程间通信无疑是相对比较简单的。 首先我们来看看最简单的方法&#xff0c;那就是使用全局变量&#xff08;静态变量也可以&#xff09;来进行通…

ROS multi-master——multimaster_fkie配置

多主站ROS配置和mutimaster_fkie ROS版本&#xff1a;kinetic 操作系统&#xff1a;Ubuntu 16.04。 multimaster_fkie&#xff1a;github 1网络配置 1.1路由器 设置无线路由器并连接两台计算机/机器人。为这两台计算机设置静态IP地址。相互测试ping命令和ssh。 1.2主机 …

Docker入门

1. Docker简介: docker是一个基于LXC的高级容器引擎。简单地说&#xff0c;docker是一个轻量级的虚拟解决方案&#xff0c;或者说它是一个超轻量级的虚拟机&#xff08;容器&#xff09;。 Docker是一个开源的引擎&#xff0c;可以轻松的为任何应用创建一个轻量级的、可移植的、…