隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。節(jié)能是全球化的熱潮，如計(jì)算機(jī)里的許多芯片過(guò)去用5V供電，現(xiàn)在用3.3V、1.8V，并提出了綠色系統(tǒng)的概念。很多廠(chǎng)商很注重微控制器的低功耗問(wèn)題。電路與系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)一直都是電子工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。

目前的低功耗設(shè)計(jì)主要從芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面考慮。隨著半導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展和芯片工作頻率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又將導(dǎo)致芯片發(fā)熱量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已經(jīng)成為深亞微米集成電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要考慮因素。為了使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，工業(yè)界對(duì)芯片設(shè)計(jì)的要求已從單純追求高性能、小面積轉(zhuǎn)為對(duì)性能、面積、功耗的綜合要求。而微處理器作為數(shù)字系統(tǒng)的核心部件，其低功耗設(shè)計(jì)對(duì)降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗具有重要的意義。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)(Low-Power Design)是許多設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的問(wèn)題，其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中去，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來(lái)供電，所以設(shè)計(jì)人員從每一個(gè)細(xì)節(jié)來(lái)考慮降低功率消耗，從而盡可能地延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。事實(shí)上，從全局來(lái)考慮低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

微處理器的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，首先必須了解它的功耗來(lái)源。其中時(shí)鐘單元(Clock)功耗最高，因?yàn)闀r(shí)鐘單元有時(shí)鐘發(fā)生器、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘樹(shù)和鐘控單元的時(shí)鐘負(fù)載;數(shù)據(jù)通路(Datapath)是僅次于時(shí)鐘單元的部分，其功耗主要來(lái)自運(yùn)算單元、總線(xiàn)和寄存器堆。除了上述兩部分，還有存儲(chǔ)單元(Memory)，控制部分和輸入/輸出(Control，I/O)。存儲(chǔ)單元的功耗與容量相關(guān)。CMOS電路功耗主要由3部分組成：電路電容充放電引起的動(dòng)態(tài)功耗，結(jié)反偏時(shí)漏電流引起的功耗和短路電流引起的功耗。其中，動(dòng)態(tài)功耗是最主要的，占了總功耗的90%以上。常用的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)低功耗設(shè)計(jì)足一個(gè)復(fù)雜的綜合性課題。就流程而言，包括功耗建模、評(píng)估以及優(yōu)化等;就設(shè)計(jì)抽象層次而言，包括自系統(tǒng)級(jí)的所有抽象層次。同時(shí)，功耗優(yōu)化與系統(tǒng)速度和面積等指標(biāo)的優(yōu)化密切相關(guān)，需要折中考慮。下面討論常用的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)功耗與工作電壓的平方成正比，功耗將隨著工作電壓的降低以二次方的速度降低，因此降低工作電壓是降低功耗的有力措施。但是，僅僅降低工作電壓會(huì)導(dǎo)致傳播延遲加大，執(zhí)行時(shí)間變長(zhǎng)。然而，系統(tǒng)負(fù)載是隨時(shí)間變化的，因此并不需要微處理器所有時(shí)刻都保持高性能。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)DVS(Dynarnic Voltage Scaling)技術(shù)降低功耗的主要思路是根據(jù)芯片工作狀態(tài)改變功耗管理模式，從而在保證性能的基礎(chǔ)上降低功耗。在不同模式下，工作電壓可以進(jìn)行調(diào)整。為了精確地控制DVS，需要采用電壓調(diào)度模塊來(lái)實(shí)時(shí)改變工作電壓，電壓調(diào)度模塊通過(guò)分析當(dāng)前和過(guò)去狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況的不同來(lái)預(yù)測(cè)電路的工作負(fù)荷。

在早期的IC設(shè)計(jì)中，關(guān)注的參數(shù)主要是性能(timing)和面積(area)。EDA工具在滿(mǎn)足性能要求的情況下，最小化面積。此時(shí)，功耗是一個(gè)不怎么被關(guān)心的問(wèn)題。因?yàn)镃MOS工藝在相對(duì)較低的時(shí)鐘頻率下具有相當(dāng)?shù)偷墓?，漏電流可忽略不?jì)。隨著晶體管密度和時(shí)鐘頻率的提高，CMOS工藝的靜態(tài)功耗也大幅增加。同時(shí)，電源電壓和閾值電壓的降低導(dǎo)致漏電流增加。這些因素使得功耗成為影響性能和面積的關(guān)鍵參數(shù)，功耗問(wèn)題變得和性能/面積一樣重要了。

功耗過(guò)高會(huì)帶來(lái)多方面的負(fù)面影響。導(dǎo)致芯片溫度升高，需要使用更貴的陶瓷封裝和散熱系統(tǒng)。溫度過(guò)高還會(huì)降低芯片的可靠性和壽命。縮短便攜式設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。隨著功能的增加，電池技術(shù)已經(jīng)跟不上功耗的需求。增加大規(guī)模使用電子設(shè)備的供電成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。即使微小的功耗降低也可以為用戶(hù)節(jié)省大量的費(fèi)用和資源。IC設(shè)計(jì)中要考慮動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗是晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)消耗的功耗，與時(shí)鐘頻率和開(kāi)關(guān)活動(dòng)有關(guān)。靜態(tài)功耗是晶體管泄漏電流造成的功耗，與時(shí)鐘頻率或開(kāi)關(guān)活動(dòng)無(wú)關(guān)。動(dòng)態(tài)功耗由開(kāi)關(guān)功耗和短路功耗組成。開(kāi)關(guān)功耗是電路負(fù)載電容充放電時(shí)消耗的功耗。短路功耗是電路邏輯狀態(tài)變化時(shí)流過(guò)PMOS管-NMOS管的短路電流消耗的功耗。低功耗集成電路(IC)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的一個(gè)重要方面，因?yàn)樗梢匝娱L(zhǎng)電池使用壽命并降低設(shè)備的能耗。隨著電池供電設(shè)備市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)，芯片設(shè)計(jì)人員有必要認(rèn)真考慮采用不同的方法來(lái)降低IC的功耗。有幾種方法可用于降低IC的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，直流電流和泄漏電流是靜態(tài)功耗的來(lái)源，而動(dòng)態(tài)功耗與頻率有關(guān)，它來(lái)自晶體管開(kāi)關(guān)和短路功耗。為了創(chuàng)建低功耗設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員必須減少產(chǎn)生整體功耗的每個(gè)單獨(dú)功率組件。同時(shí)顯示了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗特性，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)逆變器的動(dòng)態(tài)充電使功耗與時(shí)鐘頻率成正比，晶體管在無(wú)活動(dòng)時(shí)的功率泄漏會(huì)構(gòu)成靜態(tài)功耗。低功耗設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)控制供電電壓、降低電路復(fù)雜性和時(shí)鐘頻率、監(jiān)控直流電流源和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電容來(lái)降低總功耗。所有因素都相互關(guān)聯(lián)，因此設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)測(cè)試和使用低功耗設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)性能，從而在這些因素之間進(jìn)行權(quán)衡。

眾所周知，隨著芯片規(guī)模的擴(kuò)大和功能的日益多樣化，以及移動(dòng)應(yīng)用市場(chǎng)的旺盛需求，低功耗芯片設(shè)計(jì)已逐漸成為行業(yè)的主流趨勢(shì)。在此，我們結(jié)合多年的低功耗設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)并分享一些理念與方法。通過(guò)理論學(xué)習(xí)，我們了解到功耗主要分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩大類(lèi)。接下來(lái)，我們將深入探討動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式，該公式由切換功耗和內(nèi)部功耗兩部分組成。其中，切換功耗的計(jì)算方法為：由此可知，動(dòng)態(tài)功耗與頻率、關(guān)斷時(shí)的負(fù)載電容以及電壓的平方密切相關(guān)，成正比關(guān)系。換句話(huà)說(shuō)，我們可以通過(guò)調(diào)整頻率、負(fù)載電容和電壓來(lái)控制動(dòng)態(tài)功耗的大小。同時(shí)，內(nèi)部功耗的計(jì)算公式為：這里的tsc代表NMOS/PMOS內(nèi)部短路的時(shí)間，而Ipeak則涵蓋了整個(gè)短路電流與導(dǎo)通電流的總和。低功耗設(shè)計(jì)不僅是一套系統(tǒng)的理論，更涉及原理理解、代碼編寫(xiě)、UPF應(yīng)用、綜合流程規(guī)劃等多個(gè)環(huán)節(jié)。每個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)微改進(jìn)，都能為整體功耗優(yōu)化帶來(lái)積極影響。因此，我們應(yīng)當(dāng)時(shí)刻關(guān)注并致力于每一個(gè)優(yōu)化細(xì)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能高效的芯片設(shè)計(jì)。