1、1第四章第四章 基本单元电路基本单元电路4.11 功耗功耗2功耗n功耗来源功耗来源n影响因素影响因素3CMOS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开关过程的短路功耗开关过程的短路功耗Psc;n静态功耗静态功耗Ps4动态功耗的来源AVDDPMOSNMOS1AnVoutCLIsupply开关过程对输出节点开关过程对输出节点电容的充放电电容的充放电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1、CMOS动态功耗n考察考察输出节点从低电平向输出节点从低电平向高电平转换的高电平转换的过程。过程
2、。nVout(0)=0，Vout(T)=VDDnPUN对对CL充电充电,电源提供的电源提供的能量为能量为n其中，其中，n得得0()DDTVDDEVi t dtdtdVCtioutL)(20DDDDVVDDLoutLDDEVC dVC V5CMOS电路的动态功耗n这些能量一部分消耗在这些能量一部分消耗在PUN上，另一部分存储到上，另一部分存储到负载电容上负载电容上。后者。后者为：为：n这部分能量在以后输出节点这部分能量在以后输出节点由由高电平到低电平的转换过高电平到低电平的转换过程中，将会消耗在程中，将会消耗在PDN20021)(DDLVoutoutLToutCVCdVVCdttiVEDD67C
3、MOS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有一次有一次开关，平均动态功耗为开关，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传输门的情况传输门的情况n一个电路有多个节点，每个节一个电路有多个节点，每个节点在开关过程中都消耗能量，点在开关过程中都消耗能量，则电路总的动态功耗：则电路总的动态功耗：supply2dLDDEPfC VTdLDDDDTNPfC VVVdDD1NiiiiPfaCVV82、动态短路功耗、动态短路功耗n概念：开关过程中直流导通电流概念：开关过程中直流导通电流n短路的物理过程：输入波形的上短路的物理过程：输入波形的上升边和
4、下降边使升边和下降边使NMOS和和PMOS都导通，形成电源到地的电流都导通，形成电源到地的电流n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scmeanDDPIV9短路功耗计算短路功耗计算对称设计情况：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降边的短路电流对称10短路功耗的计算短路功耗的计算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22
5、2mean11144()d()dttinTttII ttK VtVtTT,TNTPTNPVVVKKK 12(),/2DDTinDDVVVttttV33126126meanDDTDDscmeanDDDDTKIVVVTPIVK VVf11CMOS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静态功耗表达式静态功耗表达式sleakDDPIV12各功耗源的发展趋势各功耗源
6、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%13For 65nm,static power is 74%in average for our benchmark (W.Hung)14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耗态功
7、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dDD1NiiiiPfaCVV15nmy invtestn.lib tt.lib ttn.option nomod runlvl=0n.param wp=0.4u wn=0.2unvdd vdd 0 1.2nmp1 y i vdd vdd pmos w=wp l=0.13
8、u nmn1 y i 0 0 nmos w=wn l=0.13u nvin i 0 pulse(0,1.2 10p 10p 10p 200p 400p)ncout y 0 1fn*.meas rmspower rms powern.meas avgcur avg i(vdd)from 0 to 400pn.tran 1p 1n n.probe v(i)v(y)n.endn my invtest n *operating point information tnom=25.000 temp=25.000 n *operating point status is voltage simulatio
9、n time is 0.n node =voltage node =voltage node =voltagen+0:i =0.0:vdd =1.2000 0:y =1.2000 nmy invtest n *transient analysis tnom=25.000 temp=25.000 n*n avgcur=-6.2820E-06 from=0.0000E+00 to=4.0000E-1016功耗延迟积功耗延迟积PDPnPower-delay product(PDP)=Pav*tp nPDP is the average energy consumed per switching ev
10、ent (Watts*sec=Joule)n功耗延迟积可以综合评价电路的速度和功耗的功耗延迟积可以综合评价电路的速度和功耗的整体性能整体性能17功耗功耗n功耗来源功耗来源n影响因素影响因素18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；dDD1NiiiiPfaCVV19降低电压降低电压对对CMOS电路电路minDDT
11、NTPVVV降低动态功耗、短路降低动态功耗、短路功耗和静态功耗功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低功耗设计的难点在不降低速度前提下降不降低速度前提下降低功耗低功耗降低电压受到速度和降低电压受到速度和可靠性的限制可靠性的限制dDD1NiiiiPfaCVV20减小电容减小电容减小电容可以提高速度，降低功耗减小电容可以提高速度，降低功耗dDD1NiiiiPfaCVV21开关活动因子开关活动因子ABOut0010101001102-input NOR Gate输入信号为1的概率：PA=1=1/2 PB=1=1/2输出变化的概率公式输出变化的概率公式 P01=Pout=0
12、x Pout=1 =P0 x(1-P0)NOR 开关活动因子开关活动因子 =3/4 x 1/4=3/16dDD1NiiiiPfaCVV22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NNNNNNNNPPPPP
13、2000000101022212)1(ABOut00101010011023开关活动因子：假信号开关活动因子：假信号开关过程中出现假开关过程中出现假信号使电路节点的信号使电路节点的开关活动因子大于开关活动因子大于124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、下降时间有关输出和输入信号的上升、下降时间相等输出和输入信号的上升、下降时间相等33126126meanDDTDDscmeanDDDDTKIVVVTPIVK VVf25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
14、电压的比例短路功耗与器件阈值电压相对电源电压的比例有关有关33126126meanDDTDDscmeanDDDDTKIVVVTPIVK VVf26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tTGSDnVVVIIexp027亚阈电流：工艺方法亚阈电流：工艺方法800.25 V13,000920/4000.08 m 24
15、 1.2 VCL013 HS520.29 V1,800860/3700.11 m 29 1.5 VCL015 HS42 42 42 42 Tox(effective)43142230FET Perf.(GHz)0.40 V0.73 V0.63 V0.42 VVTn3000.151.6020Ioff(leakage)(A/m)780/360320/130500/180600/260IDSat(n/p)(A/m)0.13 m 0.18 m 0.16 m 0.16 m Lgate2 V1.8 V1.8 V1.8 VVddCL018 HSCL018 ULPCL018 LPCL018 GFrom MPR
16、,200028亚阈值斜率亚阈值斜率tTGSDnVVVIIexp0tDGSDGSnVIddVIddVS)10(lnln10lnlgoxDtoxDCCVSCCn110ln1体硅体硅CMOS亚阈斜率一般大于亚阈斜率一般大于60mv/decSOI工艺具有更小的亚阈斜率工艺具有更小的亚阈斜率29亚阈值电流：电路方法亚阈值电流：电路方法利用可开关源极电阻利用可开关源极电阻提高提高NMOS器件截止器件截止状态时候的源端电位状态时候的源端电位利用衬底偏压提高利用衬底偏压提高NMOS阈值，降低亚阈值，降低亚阈电流阈电流利用负的栅源电压降利用负的栅源电压降低亚阈低亚阈30VTCMOS：可变阈值的方法n利用MOS器
17、件的体效应，通过调整衬底偏压动态改变器件的阈值电压n正向偏置FBB（Forward Body Bias），对NMOS器件来说，源端接地，则提高衬底电位，降低阈值n反向偏置RBB（Reverse Body Bias），提高阈值，降低静态泄漏n零偏置ZBB（Zero Body Bias），正常使用，不加衬底偏置31多电压多电压/多阈值技术多阈值技术32多电压多电压/多阈值技术多阈值技术n关键路径：高电压关键路径：高电压/低阈值低阈值n非关键路径：低电压非关键路径：低电压/高阈值高阈值33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%本节内容34nCMOS功耗源：动态、短路、静态功耗源：动态、短路、静态n低功耗设计：针对各个功耗源低功耗设计：针对各个功耗源
