芯片的低功耗设计方法有哪些？
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发布时间：2022-04-21 09:48
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时间：2023-07-22 08:45
数字电路的功耗有2部分构成，其一是静态功耗，通常表现为电子线路的漏电流，控制这部分功耗主要决定于生产工艺和所用的材料；其二是动态工作电流，而影响这部分功耗的因素很多，如电路设计的方式，线路的复杂程度，工作时时钟频率等。
一、RTL级
1.并行结构
并行结构一定程度可以减低某一区域的频率，从而可能降低功耗。
2.流水结构
“路径长度缩短为原始路径长度的1 /M。这样，一个时钟周期内充/放电电容变为C/M。如果在加入流水线之后，时钟速度不变，则在一个周期内，只需要对C/M进行充/放电，而不是原来对C进行充/放电。因此，在相同的速度要求下，可以采用较低的电源电压来驱动系统。”
3.优化编码
通过数据编码来降低开关活动，例如用格雷码取代二进制。
4.操作数隔离
“操作数隔离的原理就是：如果在某一段时间内，数据通路的输出是无用的，则将它的输入置成个固定值，这样，数据通路部分没有翻转，功耗就会降低。”
二、门级电路
1.门控时钟技术
芯片工作时，很大一部分功耗是由于时钟网络的翻转消耗的，对于一个设计中的寄存器组由于时钟信号CLK的翻转，寄存器组会持续在CLK的上升沿来临时读取数据输入端的数据，而这时读取的数据是不变的，这就消耗了额外的功耗。如果时钟网络较大，这部分引起的功耗损失会很大。门控技术基本原理就是通过关闭芯片上暂时用不到的功能和它的时钟，从而实现节省电流消耗的目的，门控时钟对翻转功耗和内部功耗的抑制作用最强，是低功耗设计中的一种最有效的方法。通过一个时能信号控制时钟的开关。当系统不工作时可以关闭时钟，整个系统处于非激活状态，这样就能够在某种程度上降低系统功耗。
“通常情况下，时钟树由大量的缓冲器和反相器组成，时钟信号为设计中翻转率最高的信号，时钟树的功耗可能高达整个设计功耗30%。加入门控时钟电路后，由于减少了时钟树的开关行为，节省了开关功耗。同时，由于减少了时钟引脚的开关行为，寄存器的内部功耗也减少了。采用门控时钟，可以非常有效地降低设计的功耗，一般情况下能够节省20%~60%的功耗。”
使用门控时钟并不符合同步设计的思想。ASIC中使用较多，FPGA中不推荐使用。
2.多电压供电
3.多阈值电压
根据多阈值电压单元的特点，为了满足时序的要求，关键路径中使用低阈值电压的单元(low Vt cells)，以减少单元门的延迟，改善路径的时序。而为了减少静态功耗，在非关键路径中使用高阈值电压的单元(high Vt cells)，以降低静态功耗。因此，使用多阈值电压的工艺库，我们可以设计出低静态功耗和高性能的设计。
