高速电路功耗优化方法 解决电压频率漏电流三大挑战

高速电路功耗优化的核心挑战与解决方案

高速电路设计之际，功耗管理早就不是那种能省就省的附加内容了，相反它成为决定产品成功或者失败的核心指标。信号速率向Gbps级别奔去，芯片集成度呈指数级升高，功耗问题从单纯的发热演变成信号完整性、电源完整性以及可靠性的连锁反应。好多工程师容易掉进仅仅关注动态功耗的错误区域，然而却忽略了短路功耗与漏电流所带来的隐性消耗，这要求我们从系统架构直至物理实现展开全局掌控。

高速电路功耗主要由哪几部分组成

弄明白功耗源自何方，是开展优化的首要步骤。由电容充放电引发的功耗属动态功耗范畴，其公式为P=CL×V²×f，其中电压与频率对其影响最为显著。高速电路涵盖的总功耗里，动态功耗是其一。短路功耗是当输入信号出现翻转之际，会于PMOS和NMOS同时导通的瞬间生成电流。与流程进展同步，晶体管的漏电流功耗所占比例迅速攀升，在深亚微米工艺环境下，该比例甚至能够达到三分至四分。高速电路总功耗里的短路功耗，是这样一种情况。高速电路总功耗里还包含静态漏电功耗。这三种功耗情况呈现出相互消长的态势，绝不能够孤立地去看待。

降低动态功耗从电压和时钟入手

既然动态功耗跟电压平方是成正比的关系，那么降低供电电压便是效果最为明显的那种手段。现代芯片广泛运用多电压域设计，使得关键路径采用高电压来保障性能，非关键模块采用低电压来节省电力。时钟系统同样具备很大的潜力可挖掘，时钟门控技术早就已经被广泛应用了，它能够将空闲模块的时钟树翻转关闭掉。更进一步来说，动态电压频率调整技术能够依据负载实时对电压和频率进行调节，在确保峰值性能的同时避免日常运行过程当中出现能量浪费的情况。

工艺和物理设计对漏电的影响有多大

一旦工艺进展到低于28纳米，漏电便成为无法回避的议题。于设计层面而言，我们能够在标准单元库内挑选具备不同阈值电压的器件，高阈值单元漏电少然而速度迟缓，适宜用于非时序关键路径。除此之外，电源门控技术借助于在休眠之际彻底切断模块电源的方式来消除漏电，不过这需要精心设计唤醒时序以及浪涌电流。在布图阶段，布局合理加之布线较短同样能够削减没必要的电容以及漏电路径。

电源分配网络如何兼顾性能和效率

高速切换之时，会产生巨大的瞬态电流，倘若电源分配网络设计存在不当之处，便会致使电压跌落以及地弹噪声出现，进而迫使芯片留出更多的电压余量，结果反倒增加了功耗。鉴于此，我们需要进行合理的去耦电容布局，以此来降低电源阻抗，与此同时，要优化封装以及PCB的叠层设计，采用低电感路径实施供电。良好的电源分配网络，不但能够保证信号质量，而且还能借助稳定的供电，使芯片运行于更优的效率点。

你于实际项目里头疼的究竟是动态功耗收敛，还是漏电控制，又或者是电源噪声问题呢？欢迎在评论区分享你的经历并且点赞收藏本文，以便随时进行查阅！