數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)方法研究

【摘 要】現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)發(fā)展到了數(shù)字信息化時(shí)代，數(shù)字信息均需要數(shù)字電子產(chǎn)品傳遞。目前的電子產(chǎn)品隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在其基本性能、運(yùn)轉(zhuǎn)速度等方面得到了很大的改進(jìn)，但是其數(shù)字電路的功耗卻在持續(xù)上升。正是由于這種問(wèn)題，才催生了一種新型的探究，也就是數(shù)字電路功耗設(shè)計(jì)方法研究。較低功耗的數(shù)字電路可以提高電子設(shè)備的可靠程度以及使用效率，并且可以降低其成本，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)低功耗數(shù)字電路設(shè)計(jì)基本方法現(xiàn)狀的研究，通過(guò)分析以及借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出了一些有效數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)方法，加快我國(guó)數(shù)字信息化的進(jìn)展的腳步。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路；低功耗；設(shè)計(jì)方法

一、數(shù)字電路以及低功耗設(shè)計(jì)的基本概述

（一）數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)的必要性

在傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，由于電路集成元件比較簡(jiǎn)單，所以高功耗問(wèn)題時(shí)常發(fā)生，這也對(duì)于設(shè)備產(chǎn)生了極其嚴(yán)重的影響。而新型的集成電路對(duì)于功耗的設(shè)計(jì)提出了比較高的要求。數(shù)字電路的高功耗問(wèn)題對(duì)于電路中的電池壽命以及散熱等會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響。而低耗設(shè)計(jì)具有以下必要性：（1）可靠性，隨著集成電路的復(fù)雜程度增強(qiáng)，電路中的中央處理器的功耗問(wèn)題成為了比較重要的影響因素。而低功耗的設(shè)計(jì)方法可以保證數(shù)字電路合理可靠的運(yùn)行。（2）作為我國(guó)電子市場(chǎng)的需求，隨著電子高科技設(shè)備的發(fā)展，市場(chǎng)開(kāi)始逐步尋求能降低數(shù)字電路功耗的有效方法，所以可以看出，低功耗方法是順應(yīng)我國(guó)電子設(shè)備消費(fèi)市場(chǎng)的需求而產(chǎn)生的。（3）功耗可以對(duì)于芯片的封存產(chǎn)生直接影響，低的功耗設(shè)計(jì)方法可以有效降低芯片封存成本，降低數(shù)字電路成本。（4）環(huán)保是造成數(shù)字電路低功耗設(shè)計(jì)的其他影響因素?，F(xiàn)在社會(huì)常常遭受著電磁輻射的影響，電力產(chǎn)生的對(duì)于環(huán)境的污染，不容我們忽視。而低功耗的數(shù)字電路可以減少這種污染的發(fā)生。所以說(shuō)，環(huán)境保護(hù)的要求也促使了低功耗設(shè)計(jì)方法的誕生。

（二）數(shù)字電路低功耗的設(shè)計(jì)流程

低功耗設(shè)計(jì)方法發(fā)展至今，已經(jīng)有許多種類，其中使用最多的是新型的VLSI低功耗設(shè)計(jì)方法。它主要是從使用者的要求出發(fā)，最終到芯片封存生產(chǎn)設(shè)計(jì)結(jié)束。首先需要根據(jù)系統(tǒng)的性能以及物理尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取良好的設(shè)計(jì)模型與工藝，確定電路內(nèi)部芯片尺寸以及功耗問(wèn)題，并按照頂層進(jìn)行功能方框的劃分以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。下圖分別展示了VLSI低功耗設(shè)計(jì)方法的流程。

圖 1 傳統(tǒng)的（a）與新型的（b）VLSI低功耗設(shè)計(jì)方法的流程

二、數(shù)字電路功耗設(shè)計(jì)的基本方法

數(shù)字電路功耗產(chǎn)生原因主要有以下幾項(xiàng)：（1）電路信號(hào)變換造成的電容充放電過(guò)程中產(chǎn)生的能耗；（2）結(jié)反時(shí)間的偏差造成漏電以及亞閾值電流功耗；（3）由于電路信號(hào)的上升或者是下降導(dǎo)致的短路電流功耗。根據(jù)有關(guān)研究，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)字電路功耗主要受電路中的工作電壓、電路負(fù)載電容值以及電源開(kāi)關(guān)開(kāi)合這三個(gè)影響因素影響。因此降低功耗的基本方法需要從這三個(gè)因素著手。

（一）降低工作電路中的電壓值

電路的功耗與電路中的電壓的二次方存在正比關(guān)系，因此降低電壓成為低功耗電路設(shè)計(jì)的有效手段。但是電路中的電壓并不是可以無(wú)限制的降低下去，我們?cè)诮档瓦^(guò)程中必須充分考慮電路的運(yùn)行速度，才能在保證電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，合理的降低電路功耗。圖2展示了在不同的設(shè)計(jì)階段不同的電路電壓降低措施。

圖2 在不同的設(shè)計(jì)階段不同的電路電壓降低措施

（二）降低工作電路的負(fù)載電容

電路的動(dòng)態(tài)功率耗費(fèi)也與其負(fù)載的電容值存在正比。電路中的電容主要由電路中元件的電容與節(jié)點(diǎn)電容有關(guān)，這與元件的工藝流程設(shè)計(jì)有關(guān)。除此之外，電路電容還與連線電容有關(guān)，并且隨著工藝的發(fā)展，這種影響因素已經(jīng)超越器件電容的影響。因此，為了降低數(shù)字電路中的功耗，我們可以改進(jìn)器件生產(chǎn)的工藝流程，減少器件之間的連線長(zhǎng)度，從而合理降低數(shù)字電路的負(fù)載電容，進(jìn)而降低工作電路的功耗。

（三）減少電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)合次數(shù)

電路的功耗也與開(kāi)關(guān)的開(kāi)合活動(dòng)有關(guān)系，尤其是電源開(kāi)關(guān)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的功耗會(huì)更大。開(kāi)關(guān)的活動(dòng)與數(shù)字電路數(shù)據(jù)的處理等有關(guān)，這樣也會(huì)產(chǎn)生功耗的損失。因此，為了降低數(shù)字電路的功耗，在平時(shí)的工作時(shí)盡量減少電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)合以及活動(dòng)次數(shù)。

三、改進(jìn)的低功耗設(shè)計(jì)方法

數(shù)字電路功耗設(shè)計(jì)方法發(fā)展至今，已經(jīng)產(chǎn)生了許多有效方法。（1）通過(guò)改變電路電壓的方法降低電路功耗，比如，改變閾值電壓的低功耗設(shè)計(jì)方法，通過(guò)電壓閾值以及二分點(diǎn)選擇調(diào)節(jié)的方法降低電路功耗。（2）基于遺傳算法的方法，主要通過(guò)遺傳算法進(jìn)行功耗以及延時(shí)的處理，降低電路門級(jí)的功耗。（3）以任務(wù)驅(qū)動(dòng)的降低數(shù)字電路的功耗，進(jìn)行多電壓微處理，優(yōu)化電路電壓?jiǎn)栴}。所以，在改進(jìn)數(shù)字電路功耗時(shí)，我們一定要充分綜合的考慮芯片面積、延時(shí)以及電路電壓等均衡設(shè)計(jì)，發(fā)展低功耗的高層面的綜合技術(shù)以及開(kāi)發(fā)一些低功耗的IP數(shù)據(jù)庫(kù)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)數(shù)字信息化時(shí)代的發(fā)展，數(shù)字電路的基本性能、運(yùn)轉(zhuǎn)速度等方面得到了很大的改進(jìn)，但是其數(shù)字電路的功耗持續(xù)上升也逐漸成為了影響數(shù)字電路發(fā)展的一大原因。采取合理降低能耗設(shè)計(jì)方法，維持?jǐn)?shù)字電路合理高效的運(yùn)行，加快我國(guó)數(shù)字信息化的進(jìn)展的腳步。

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