集成电路功耗估算及其低功耗设计概述。

简介：
集成电路功耗评估及低功耗设计是电子设计领域中至关重要的组成部分，对集成电路技术的进一步进步具有举足轻重的影响。随着集成电路朝着更小、更快方向发展，对其功耗的精确评估以及降低电路功耗的需求日益迫切，并在各个研究领域得到了广泛的关注和深入研究。 低功耗技术并非仅仅局限于电池供电设备的约束条件，它同样是众多高性能有线系统设计中不可或缺的重要考量因素。在嵌入式系统设计中，处理器所消耗的功耗可能仅占整个系统总功耗预算的一小部分，然而，对系统架构和软件体系结构的精心选择却可能对总的处理性能、功率消耗以及电磁干扰（EMI）性能产生深远的影响。 集成电路的功耗可以细分为静态功耗和动态功耗。静态功耗指的是在集成电路处于空闲状态时所产生的功率损耗，尽管空闲状态下产生的功率损耗相对较小，但由于系统中包含大量的元件，因此不容忽视其潜在影响。降低器件漏电流的大小可以通过优化器件制造工艺并降低器件的电源电压来实现，例如目前许多器件已经采用了 3.3V 电源电压来取代传统的 5V 电源电压。动态功耗则指在电路运行时由于信号变化所引起的功率消耗，其大小与系统的电源电压、工作频率等因素密切相关。对于长时间运行的系统而言，动态功耗通常占据主导地位，而静态功耗则可以忽略不计。可以使用 P=CFU 公式进行对动态功耗的粗略估算，其中 C 代表开关电容、F 代表开关频率、U 代表电源电压。 集成电路功耗评估通常采用以下公式进行表示：P=Pc+Pf+Ps, 其中 P 代表集成电路总功率损耗, C 是系统的节点电容, f 是系统的工作频率, Ps 表示由于工作状态变化产生的功率损耗, Pf 表示由于短路产生的功率损耗, Pc 表示系统泄漏电流造成的功率损耗。公式 (3-1) 中, Ps 指的是节点电容在状态变化时对电流中电荷的充放电造成的功率消耗大小, 在频繁工作状态变化的电路中, 此类因工作状态变化产生的功率损耗占据主导地位；Pf 则指的是系统发生短路时产生的功率损耗, 这是由于系统短路时二极管或三极管 PN 结瞬间导通所产生的损耗, 尽管此损耗持续时间短暂, 但由于短路电流巨大, 因此不可忽视；Pc 则代表系统泄漏电流造成的损失，即静态损耗。在工艺水平基本稳定的前提下，降低系统的电源电压尤为重要，尤其是在长时间处于静态状态下的系统中。 为了有效降低集成电路的动态功耗，一方面可以通过减小节点电容和系统电源电压的大小来实现；另一方面可以通过降低系统节点的阈值来减少静止状态下的静态损耗尤其是当静态漏电流难以准确预测和控制时. 通过对集成电路功耗进行精确评估并加以降低能够显著提升集成电路的性能表现、延长电池的使用寿命、减少系统的体积重量成本并提高系统的可靠性和稳定性.