集成電路低功耗設計方法

成都七中（高新校區） 劉斌垚

集成電路低功耗設計方法

成都七中（高新校區） 劉斌垚

信息化的社會發展無法離開電子產品的不斷進步，而其對其低功耗的設計要求正在不斷增強。但當前電子產品的功能質量在提高的同時，其功耗卻設計卻沒能跟上設計的要求，一直處于上升趨勢，這將對電子產品性能的提高產生一定的影響，因為筆記本電腦、平板、移動設備等的使用都需要依靠電池來提供能量，因此，一款經久耐用、性能強的電子產品必須具備水平相當的低功耗設計方式。基于此，本文主要探討了集成電路的低功耗設計方法，以作為相關參考。

集成電路；低功耗設計；方法探析

如果說信息產業是世界上發展最快的產業的話，那么支撐其迅速發展便是集成電路的設計與應用，這說明了集成電路的設計對于信息產業的重要作用。但目前集成電路的低功耗設計成為了信息產品獲得進一步發展的重要障礙，如何對集成電路進行更加優化的設計，是信息科技前沿需要認真思考并積極探索的問題。

1.低功耗設計具體內涵分析

目前，隨著信息科技的深入發展，集成電路技術也正以日新月異的姿態向前發展，其復雜程度也不斷增加，電路的性能得到了大幅提升，而這也對集成電路低耗能設計帶來的極大的挑戰，因為這不同于早期的電路設計，其規模較小，工作頻率也低，對于功能的消耗并不突出，但隨著集成電路發展水平越來越高，設計的復雜程度也越來越強，譬如，一個集成電路上單個芯片就可以匯集上千萬個晶體管及其他微處理器，其工作頻率也早就達到了GHz的級別。因此，信息產品對功能的消耗量也就越來越大，低功耗的集成電路設計成為了信息產業最大的挑戰之一。

2.低功耗設計的相關方法探析

2.1 工藝級功耗優化分析

在工藝級功耗優化分析方面，可從兩個角度入手分析降低功耗設計的技術。首先，可以按照相應的比例縮小技術，再采用先進的工藝，將設備的電壓消耗控制在最小限度。通過比例技術，能夠有效縮短晶體管的比例，以及縮減互聯線的比例。為實現縮短晶體管這一目標，需要縮減與之相關的器件的關鍵參數方式，從而能夠在維持其性能穩定的同時，采用更加小的比例的溝道長度，這樣既能夠保證柵壓縮技術的參數保持不變，又能夠在橫向方面有效縮小器件，并實現縮短其延長的時間。在互聯線方面，也應按照相關比例縮小其整體的尺寸，但這方面需要更加細致精湛的工藝，才能避免系統噪音增加的可能，提升電路運行的可靠性。第二個方面是封裝技術。可以通過封裝技術實現芯片與外界充分的隔離，減少外界空氣對系統電氣設備帶來腐蝕的可能性。但在封裝的過程中，可能會對芯片的功耗產生巨大影響。因此，需要采取合理的芯片封裝技術，這樣有利于強化芯片的散熱功能。還可以使用多芯片封裝的方式，先降低I/O接口的相關功能，將電路的延遲問題控制住，從而達到優化電路的目的。

2.2 電路功耗優化分析

在電路級的功耗方面，其通常為動態的邏輯設計，尤其在超大規模的電路中，包括數量龐大的電路邏輯結構，如動態邏輯與靜態邏輯，各個結構都具有各自的功能體系，在靜態的邏輯結構中，其功耗的消耗比較大。在動態的電路設計中，可以通過時鐘信號進行控制，從而進入到預充電模式，并能夠與求值模式進行相互切換，在該邏輯設計與控制中，由于其所需要的晶體管數量十分少，因此，其功能消耗的也就較少。

2.3 版圖級低功耗優化

在進行版圖級方法進行優化設計之前，需要先對互聯線和器件進行優化設計。首先，對器件的優化方面，主要是對器件尺寸的優化設計，其尺寸越優化，所耗費的能耗就越低。而在互聯線的優化設計中，則需要將各個不同的期間全部都結合起來，以最大程度消除互聯線帶來的不良影響。在早期的集成電路中，對設備的開關速度控制的方式所起到的作用不是很明顯，阻抗不是很大，因此其功耗也較低。而隨著電子產品的不斷發展，整個設備對開關的控制也越來越明顯，然而其導線的RC的延遲卻在增加，進而導致邏輯結構同樣被延遲。因此，在對信號進行布線的過程中，需要在橫截面大且間距較大的頂層之內布置金屬線，才能達到縮短延長時間的效果，實現低耗能。

2.4 門級低功耗的優化設計

這方面的低功耗設計可以通過路徑的平衡、單元的映射和公因子的提取等多個方面開進行優化。以單元的映射優化為例，可以通過選擇基于圖模式匹配的映射單元及映射算法，來對電路進行門級綜合，并注意通過選擇具有低功耗的單元庫，可以達到更好的低功耗效果。再者，通過運用較小負載的漏記單元，可以實現控制其內部活動性較高的節點，從而降低能量損耗。這是一種通過對門級網表的優化設計和對布局布線的優化設計來實現低耗能的方式。在公因子的優化提取方面，通過優化提取方式可以實現簡化電路邏輯的目的，并且還能將電路的翻轉問題控制好，保持整個電路的穩定運行。根據電路的設計原理，采用不同的邏輯結構能夠以實現同樣的邏輯功能，可以讓具有高翻轉率的信號靠近設備的輸出端，這樣就能有效減少信號經過的器件數量，從而降低信號的負載量，實現低功耗。

2.5 系統功耗的優化分析

在整個電路系統的低功耗設計中，可以從以下幾個方面進行設計：首先，是合理地劃分軟硬件，軟硬件的設計需要從抽象的角度來進行，這樣才能夠將不同邏輯結構的功能集合在一起，還可以在對系統任務的描述中，綜合其協同和仿真等，以達到降低功耗的目的。第二，是對功耗進行管理。在這個方面的設計過程中，需要結合電路的設計模式，將其閑置的元件設備充分利用起來，減少對電路能耗的浪費。對功耗進行管理可以從動態和靜態的設計兩個方面進行管理。在動態的設計方面，可以借助其中的調度系統，將尚未處于工作狀態的功能自動進入到休眠的狀態，當需要進入工作狀態時，便能喚醒其功能。在靜態功耗管理方面，則需要對整個系統設備的工作狀態進行監測，實現對整個系統待機模式的功能消耗狀態的有效管理。第三，是對指令的優化。在這個過程中需要選擇合理的指令方式或者實現對提升指令的讀取速度，以此增強信號的強度，促進系統低耗能的實現。

3.結語

總之，為了更好地將集成電路的功能損耗控制在可控范圍之內，需要從各個方面考慮其系統低功耗的設計方式，實現電路低功耗。但由于低功耗的設計貫穿于整個設計的各個階段，因此，需要設計者優化整個集成電路系統，最終實現電路低耗能的優化設計。

[1]李林華．集成電路低功耗設計方法[J]．電子測試,2016(5)：9-10．

[2]張惠安．超低功耗MCU的造型技巧與設計思路[J]．集成電路應用,2017,34(3)：37-39．