芯片的低功耗设计方法
2024.02.18 09:29浏览量:66简介:本文将介绍芯片的低功耗设计方法,包括降低供给电压、降低电容和翻转次数、RTL级和系统级设计方法等。这些方法可以帮助降低芯片的功耗,提高能效和延长电池寿命。
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芯片的低功耗设计是当今集成电路设计领域的重要研究方向之一。随着物联网、移动设备和可穿戴设备的普及,电池寿命成为了用户关注的焦点。因此,降低芯片功耗成为了芯片设计的重要目标之一。本文将介绍一些芯片的低功耗设计方法,包括降低供给电压、降低电容和翻转次数、RTL级和系统级设计方法等。
一、降低供给电压
动态功耗的大小与供给电压的平方成正比,因此降低供给电压对功耗影响最大。然而,降低供给电压会降低芯片时序上的性能,因此需要采用一些设计技巧来提高设计的内部性能,例如流水线设计和并行设计。通过面积换性能,可以在提高性能的同时降低功耗。
二、降低电容和翻转次数
- 存储器的结构
将一个单一的、容量大的存储器划分为多个小的存储单元,放在多个块中,通过对地址比特的高低位的解码来选择存储块。这种方法产生了冗余的逻辑(如解码器),它以略微增加的面积的代价换取了功耗的降低。使用时只调用需要的存储块,避免占用一个大的存储器带来的庞大功耗。
- 时钟策略
单一的、基于触发器的设计比基于锁存器的双时钟的设计功耗低50%。其次,如果关闭同步设计的触发器的时钟信号的话,它将不会发生翻转,因此不会产生动态功耗。使用门控时钟(Clock Gating)技术能减少电路的翻转次数从而降低芯片的功耗。门控时钟有两种类型:针对整个模块的门控时钟以及针对单一触发器的门控时钟。给不同模块提供独立的时钟模块,关闭不使用的模块,以节省功耗。
- 操作数隔离
这种方法主要是对系统中的算术和逻辑运算模块进行低功耗设计。在不需要进行算术和逻辑运算时,使输入为“0”,不让操作数进来,输出结果不会翻转。如两种不同设计的加法器:
三、RTL级设计方法
- 门控时钟
使用门控时钟技术能减少电路的翻转次数从而降低芯片的功耗。门控时钟有两种类型:针对整个模块的门控时钟以及针对单一触发器的门控时钟。给不同模块提供独立的时钟模块,关闭不使用的模块,以节省功耗。
- 资源共享
尽量利用已有的信号,进行资源的共享,能够减小功耗。
- 并行设计与流水线设计
并行化设计是指将一个逻辑函数分解为几个小一些的逻辑函数并行计算,从而减少关键路径上的延迟。并行化设计可以减小路径的延迟,因此可以使用更低的电压,因而可以减小功耗。流水线设计与并行设计原理相同,都是可以减小延迟,因此允许更低的工作电压,以此来减小功耗。
四、系统级设计方法
- 多电压域
在系统级设计中,多电压域是一种有效的低功耗设计方法。通过将整个系统划分为多个电压域,可以针对不同的电压域设置不同的工作电压,从而在保证系统正常运行的前提下,最大限度地降低功耗。同时,多电压域设计还可以通过关闭不使用的电压域来进一步减小功耗。
以上是芯片的低功耗设计方法的一些常见手段。这些方法并不是孤立的,而是需要综合运用。在实际设计中,需要根据具体的需求和条件选择合适的方法,以达到最佳的低功耗效果。同时,还需要不断探索新的低功耗设计技术和方法,以满足未来更高性能、更低功耗的芯片设计需求。

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