除了芯片的速度和面積等，人們對低功耗的期望也越來越高，因而在IC設計中加入低功耗設計非常必要。寄存器傳輸級的低功耗設計對降低整個芯片的功耗作用非常顯著，本文討論的三種寄存器傳輸級低功耗設計方法，經驗證對動態功耗的降低很有效。

　　自集成電路問世以來，設計者在單個芯片上集成的晶體管的數量呈現出令人驚訝的增長速度。近30年，集成電路的發展一直遵循著“摩爾定律”：集成在芯片上的晶體管的數量每18個月就翻一番，芯片成本也相應下降。

　　圖1：CMOS電路功耗的主要來源是動態功耗，由開關電流和短路電流造成。

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　　在半導體工藝水平不斷進步的同時，以電池供電的手持設備和膝上電腦也迅速普及，系統的功耗有時已經成為系統設計首要考慮的因素，因此，低功耗設計成為發展移動系統必然要解決的問題。

　　集成電路的低功耗設計分為系統級、寄存器傳輸級、門級、電路級四個層次，而在這其中，寄存器傳輸級的低功耗設計對優化整個系統功耗的貢獻達到20%-50%，這是非常巨大的比例。因而，在寄存器傳輸級進行低功耗設計是非常值得，也是很有必要的。

　　集成電路中功耗的來源

　　目前，CMOS工藝在集成電路特別是數字IC中應用得很普遍。由于CMOS電路在輸入穩定的時候總有一個管子截止，所以它的靜態功耗在理想情況下應該是零，但這并不代表靜態功耗真的為零，實際上CMOS電路的靜態功耗就是指電路中的漏電流(這里不考慮亞閾值電流)。

　　CMOS電路功耗的主要來源是動態功耗，它由兩部分組成：開關電流和短路電流。

　　所以，整個CMOS電路的功耗為：其中，PTurn是開關電流ITurn產生的動態功耗;Pshort是動態情況下P管和N管同時導通時的短路電流Ishort產生的動態功耗;而Pleakage 是由擴散區和襯底之間的反向偏置漏電流Ileakage產生的靜態功耗。如圖1所示。

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　　圖2a：傳統的設計。圖2b：增加了門控時鐘的設計。

　　在這三項中PTurn大約占電路功耗的80% ，因而這里就只考慮開關電流ITurn所產生的動態功耗PTurn。ITurn是這樣產生的：在CMOS電路，當輸入為“0”時，PMOS導通，電源通過PMOS向負載電容充電;而當電路輸入為“1” 時，負載電容又會通過NMOS向地放電。ITurn就是不斷對負載電容充放電所產生的開關電流。

　　一個CMOS反相器由開關電流引起的平均動態功耗是：PTurn=CLVDD2f其中，CL是負載電容，VDD是電路的電壓，f是時鐘頻率。所以，要想降低電路的功耗就應該降低電路的電壓和頻率。

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　　寄存器傳輸級的低功耗設計

　　圖3a：最基本的加法器設計。圖3b：采用操作數隔離方法設計的加法器。

　　寄存器傳輸級的低功耗設計方法有很多種，本文只列舉三種最為常用的設計方法：門時鐘、操作數隔離及存儲器分區訪問。

　　1.門控時鐘

　　從上面的討論知道，CMOS電路的功耗是和頻率有著密切關系的，因此動態的關閉處于空閑狀態的時鐘具有明顯的節電效果。

　　圖2a是傳統的設計：系統的時鐘直接接到D觸發器的時鐘輸入端，不管什么情況，只要輸入的Clock翻轉，觸發器就會工作，整個系統也一直不斷的運行。而圖2b是增加了門控時鐘的設計：當系統正常工作時，譯碼出來的En信號為高，則觸發器可以正常鎖存數據;當系統處于空閑狀態時，把En信號清零，這樣，由于給觸發器的Clock一直保持零，不會發生翻轉，所以觸發器不會鎖存新的數據，整個系統被掛起，系統將進入低功耗模式。

　　在電路中加入門控時鐘很容易，可以用Verilog直接在描述中加入，也可以通過Synopsys的工具PowerCompile自動加入。通過加入門控時鐘，系統可以有選擇的停止不相關模塊的時鐘，以最大程度的節省動態功耗。

　　2.操作數隔離

　　這種方法主要是對系統中的算術、邏輯運算模塊進行低功耗設計，其主要思想就是：在不進行算術、邏輯運算的時候，使這些模塊的輸入保持“0”，不讓操作數進來，輸出結果不會翻轉;而如果進行這方面的運算時，再將它們打開。

　　圖4：存儲器分塊訪問實例。

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　　這種方法在很多人看來是理所當然的，認為就應該是這樣設計。然而在實際中，設計者一方面關心模塊的功能，另一方面迫于設計時間的壓力，所以很多設計中的細節沒有考慮。如圖3a，一個加法器的兩個輸入端沒有經過任何邏輯直接進入加法器，系統不管是否需要加法運算，加法器都一直工作著，輸出不斷翻轉著，這對系統的動態功耗是很大的浪費，而且數據總線越寬浪費的功耗越多;圖3b 則用操作數隔離的方法進行設計：當系統不需要加法運算的時候，Adder_en信號為“0”，則加法器的兩個輸入端都保持“0”， 其輸出不會發生任何翻轉，不會產生動態功耗，而如果需要進行加法運算時，Adder_en變成“1”，加法器正常工作。

　　當對系統里所有的算術、邏輯運算單元都用上這種方法必然會對系統的動態功耗有很大的優化，在芯片面積方面，如圖3b所示的，所增加的邏輯僅僅是幾個多路器而已。

　　3.存儲器分塊訪問

　　一個系統里少不了存儲器，存儲器的功耗在整個系統里所占的比例不可忽視。因而降低存儲器的功耗，對于整個芯片系統的功耗優化很有幫助。

　　這里提出一種叫做存儲器分塊訪問的方法來降低存儲器的功耗。主要思想是：將系統所需要一定容量的存儲器分成兩塊，然后用高位地址線進行片選譯碼。結合下面的實例：

　　假設一個系統需要128K的RAM，如圖4所示，我們選用兩塊64KB的RAM。CPU給出了17位地址線，其中低16位地址線直接提供給兩個RAM，最高位地址線接到下面RAM的片選端CS，而這根地址線經過一個反相器接到另一個RAM的片選端。通過這種方法，不管從CPU 出來的什么樣的地址，則每次只會選中一個64KB的RAM。如果采用單塊128KB的RAM，則每次都要選中一塊128KB的RAM。眾所周知，一塊64KB RAM的功耗要遠小于一塊128KB RAM的功耗。這樣從存儲器這一方面，又為系統節省了功耗。

　　表1：一款SIM卡芯片設計優化前后功耗及芯片面積的對比。

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　　功耗和面積永遠是相矛盾的，如果想要降低系統的功耗，必然要加上一些控制邏輯來進行功耗優化，而這部分邏輯會增加芯片的面積，所以在功耗和面積之間就要有個折衷。上面的三種寄存器傳輸級的低功耗設計，不會增加很多邏輯，因而對芯片面積的影響不大。而經過了這三種低功耗設計，使整個系統動態功耗的改善很明顯。例如，使用功耗仿真工具powermill對一款SIM卡芯片設計進行管級功耗仿真，這里采用的是華杰的0.25um的標準單元庫，表1是優化前后功耗及芯片面積的對比。

　　從表1可以看到，經過低功耗設計后的芯片平均動態電流比優化前降了16%，然而優化前后芯片的面積沒有發生改變，因而，上面的三種設計方法對于降低系統動態功耗是非常有效的。

　　本文小結

　　本文首先分析了CMOS電路功耗的來源，基于這個理論基礎介紹了三種寄存器傳輸級的低功耗設計方法，最后，通過一款手機SIM卡芯片的功耗優化并進行仿真，得出結論：這三種方法對降低系統功耗有很大的幫助，而且幾乎沒有增加芯片的面積。