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1、第4章 第9讲 功耗1第1页，共21页，编辑于2022年，星期一功耗n功耗来源功耗来源n影响因素影响因素2第2页，共21页，编辑于2022年，星期一CMOS电路功耗的来源电路功耗的来源nCMOS电路功耗的构成电路功耗的构成n动态功耗动态功耗Pd;n开关过程中的短路功耗开关过程中的短路功耗Psc;n静态功耗静态功耗Ps3第3页，共21页，编辑于2022年，星期一动态功耗的来源开关过程对输出节点电容开关过程对输出节点电容的充放电所消耗的功耗的充放电所消耗的功耗当输出节点出现当输出节点出现0 1的变化的变化,需要电源提供需要电源提供能量对电容充电能量对电容充电4第4页，共21页，编辑于2022年，星
2、期一CMOS动态功耗的计算当输出由当输出由0 向向VDD变化，变化，忽略附加的直流电流，则忽略附加的直流电流，则根据瞬态电流表达式根据瞬态电流表达式把电流公式代入并积分把电流公式代入并积分存储在负载电容上的能量为存储在负载电容上的能量为5第5页，共21页，编辑于2022年，星期一CMOS电路的动态功耗电路的动态功耗n考虑一个周期内考虑一个周期内CMOS有一次开关，有一次开关，平均动态功耗为平均动态功耗为n如果逻辑摆幅不足如果逻辑摆幅不足VDD，如，如NMOS传传输门的情况输门的情况n一个电路有多个节点，每个节点在一个电路有多个节点，每个节点在开关过程中都消耗能量，则电路总开关过程中都消耗能量，
3、则电路总的动态功耗：的动态功耗：6第6页，共21页，编辑于2022年，星期一动态短路功耗动态短路功耗n概念：开关过程中的直流导通电流概念：开关过程中的直流导通电流n短路的物理过程：输入波形的上升边和下降边短路的物理过程：输入波形的上升边和下降边使使NMOS和和PMOS都导通，形成电源到地的电都导通，形成电源到地的电流流7第7页，共21页，编辑于2022年，星期一短路功耗的计算短路功耗的计算对称设计情况：对称设计情况：输入达到输入达到VDD/2时短路电流达到峰值，时短路电流达到峰值，t1-t2与与t2-t3期间短路电流对称；期间短路电流对称；输入上升边与输入下降边的短路电流对称输入上升边与输入下
4、降边的短路电流对称短路功耗的计算：短路功耗的计算：Imean是一个周期内的平均短路电流是一个周期内的平均短路电流8第8页，共21页，编辑于2022年，星期一短路功耗的计算（续）n对称设计对称设计n假设输入波形线性变化假设输入波形线性变化n代入积分公式代入积分公式9第9页，共21页，编辑于2022年，星期一CMOS电路的静态功耗电路的静态功耗n静态功耗的来源静态功耗的来源n电路中存在泄漏电流电路中存在泄漏电流n构成泄漏电流的机制构成泄漏电流的机制n反偏反偏pn结电流结电流n亚阈值电流亚阈值电流n其他二级效应其他二级效应n栅隧穿电流、栅隧穿电流、DIBL效应、热载流子效应效应、热载流子效应n静态功
5、耗表达式静态功耗表达式10第10页，共21页，编辑于2022年，星期一各功耗源的发展趋势各功耗源的发展趋势n动态功耗动态功耗n在电源电压较高时是主要功耗源在电源电压较高时是主要功耗源n一般占一般占75-80%n静态功耗静态功耗n深亚微米工艺，泄漏功耗的比例会增大到不可忽略的地步深亚微米工艺，泄漏功耗的比例会增大到不可忽略的地步n不专门优化，泄漏功耗可占总功耗的不专门优化，泄漏功耗可占总功耗的40以上以上n短路功耗短路功耗n占总功耗的占总功耗的10-15%11第11页，共21页，编辑于2022年，星期一功耗的度量功耗的度量n作为近似估算，可以用节点电容表示动作为近似估算，可以用节点电容表示动态功
6、耗态功耗n精确计算需要利用精确计算需要利用spice仿真得到电流波仿真得到电流波形，平均电流（积分除以时间）乘以电形，平均电流（积分除以时间）乘以电压得到压得到平均功耗平均功耗n求出的功耗是所考察时间周期内的功耗求出的功耗是所考察时间周期内的功耗的平均值（能量除以周期），一般要标的平均值（能量除以周期），一般要标上信号频率上信号频率12第12页，共21页，编辑于2022年，星期一功耗功耗n功耗来源功耗来源n影响因素影响因素13第13页，共21页，编辑于2022年，星期一影响因素：动态功耗影响因素：动态功耗n影响动态功耗的因素影响动态功耗的因素n降低电源电压；降低电源电压；n直接影响速度直接影响
7、速度n减小负载电容；减小负载电容；n减少减少MOS管数量管数量n减小连线电容减小连线电容n减少电荷分享的影响减少电荷分享的影响(对动态电路对动态电路)n节点开关活动因子的影响；节点开关活动因子的影响；14第14页，共21页，编辑于2022年，星期一降低电压降低电压对对CMOS电路电路降低动态功耗、短路功降低动态功耗、短路功耗和静态功耗耗和静态功耗直接影响电路速度直接影响电路速度低功耗设计的难点在不低功耗设计的难点在不降低速度前提下降低功降低速度前提下降低功耗耗降低电压受到速度和可降低电压受到速度和可靠性的限制靠性的限制15第15页，共21页，编辑于2022年，星期一减小电容减小电容减小电容可以
8、提高速度，降低功耗减小电容可以提高速度，降低功耗16第16页，共21页，编辑于2022年，星期一电路的开关活动因子电路的开关活动因子n静态成分静态成分-主要决定于电路的逻辑功能主要决定于电路的逻辑功能 N输入逻辑门一个周期内输出从“0”到“1”变化的概率：2输入与非门N0=1,N=2,P0-1=1(4-1)/16=3/16;2输入或非门N0=3,N=2,P0-1=3(4-3)/16=3/16;2输入异或门N0=2,N=2,P0-1=2(4-2)/16=1/4;n动态成分动态成分-主要决定于电路的时序行为主要决定于电路的时序行为ABOut00101010011017第17页，共21页，编辑于20
9、22年，星期一影响因素：短路功耗影响因素：短路功耗n影响短路功耗的主要因素影响短路功耗的主要因素n短路功耗与输入信号的上升、下降时间有关短路功耗与输入信号的上升、下降时间有关最佳设计：输出和输入信号的上升、下降时间相等最佳设计：输出和输入信号的上升、下降时间相等18第18页，共21页，编辑于2022年，星期一影响因素：短路功耗影响因素：短路功耗短路功耗与器件阈值电压相对电源电压的比例有短路功耗与器件阈值电压相对电源电压的比例有关关19第19页，共21页，编辑于2022年，星期一影响因素：静态功耗影响因素：静态功耗n影响静态功耗的主要因素影响静态功耗的主要因素n降低电源电压减少高降低电源电压减少
10、高 电场引起的二级效应；电场引起的二级效应；n减小亚阈值电流；减小亚阈值电流；n避免非理想输入引起避免非理想输入引起 电路直流导通电流；电路直流导通电流；亚阈值电流与阈值电压的关系亚阈值电流与阈值电压的关系20第20页，共21页，编辑于2022年，星期一不同设计层级对功耗优化的作用不同设计层级对功耗优化的作用设计层级设计层级改进方法改进方法降低功耗的作用降低功耗的作用算法级算法级选择优化算法选择优化算法几个数量级几个数量级功能块级功能块级并行结构并行结构几倍几倍RTL级级时钟控制优化时钟控制优化10%90%逻辑级逻辑级逻辑结构逻辑结构10%15%布尔函数分解布尔函数分解15%提取公因子提取公因子15%晶体管级晶体管级晶体管尺寸调整晶体管尺寸调整20%版图级版图级布局布线布局布线20%21第21页，共21页，编辑于2022年，星期一