关于集成电路芯片中的VLSI低功耗介绍

过去，在台式PC时代，VLSI设计的主要目标是优化实时计算功能的速度，如游戏，视频压缩和图形。因此，我们现在拥有了半导体IC，可以集成各种图形处理单元和信号处理模块，能够满足我们对娱乐和计算的需求。虽然这些设计工作已经实现了实时计算能力，但它们并没有解决便携式设备日益增长的需求，例如移动电话，这些设备能够承载相同的复杂操作而无需消耗太多功率。

对用于通信、计算和娱乐的便携式甚至可穿戴电子设备的需求不断增长，因此需要更长的电池寿命、更低的功耗和更轻的设备重量。考虑到这一点，似乎需要开发一种能够利用低电压和低功耗设计技术的解决方案。现在，功耗也被视为VLSI设计中的一个重要标准，设计空间可能会扩大，从而增加已经很重要的任务的复杂性。为了给这个问题创造一个理想的解决方案，"低功耗设计"必须被视为一个关键因素。

VLSI中的功率耗散

今天的消费者想要一种以合理的低价包含所有最先进功能的设备。他们需要能够提供与非移动设备相同效率水平的移动设备和应用程序，同时又不影响电池寿命。如果我们分析消费者在智能手机中要求的主要功能，大约70%的用户希望长时间通话和待机时间。他们想要更时尚的手机，这可能需要用于高级工艺的高水平硅集成;然而，这些过程具有更高的功率耗散，这进一步导致温度升高。

功率耗散可以定义为提供给电路的总电流与总电压损耗或漏电流的乘积。在器件的便携性方面，功耗是不可避免的限制。

为什么功耗在SoC中如此重要？

电源管理在片上系统中很重要，原因如下：

与包装和冷却相关的成本待机时间和电池寿命数字抗噪性环境问题
功率耗散类型
在电路中，功耗可分为以下几种类型：

静态功耗：当系统未通电或处于待机模式时，功耗以漏电流的形式发生。在电路中，泄漏电流有几种来源，包括亚阈值泄漏、晶体管和n孔周围的二极管泄漏、隧道电流、栅极泄漏等。

动态功耗：逻辑转换导致逻辑门对负载电容进行充电和放电。换句话说，这种类型的功率耗散是由于晶体管的开关活动而发生的。

通过低功耗设计最大限度地降低功耗

降低电源电压

降低电压被证明是降低功耗的有效方法。无需任何特殊技术或电路，电源电压降低两倍即可使功耗降低四倍。但是，降低电源电压也会降低性能，而降低阈值电压可以避免这种情况。

物理电容

电路的动态功耗直接取决于被切换的物理电容。因此，除了降低电压之外，降低电容可能是实现更低功耗的另一种方法。

设计流程
低功耗VLSI可以通过从系统和算法级别到电路和布局级别的设计过程的多个级别的优化来实现。

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