降低芯片功耗的必要性
功耗組成
芯片功耗分為靜态功耗和動态功耗。
其中，靜态功耗包括漏電功耗，動态功耗包括内部功耗和翻轉功耗。
01. 漏電功耗 -- 非理想漏電流産生的功耗
漏電功耗由三個部分組成：
02. 内部功耗 -- 寄生參數充放電産生的功耗
内部功耗由兩部分組成：
03. 翻轉功耗 -- 晶體管負載充放電帶來的功耗
作為最常見的功耗，信号翻轉功耗和互聯寄生參數以及晶體管輸入寄生參數息息相關。
電路功耗計算模型
本文以二輸入與非門為例進行總功耗計算演示，輸入輸出參數如下所示。
VDD = 1.0V
Output Load = 20fF
Static probability (pin A1) = 0.6
Static probability (pin A2) = 0.55
Toggle rate (pin A1) = 5 million transitions/sec
Toggle rate (pin A2) = 6 million transitions/sec
Static probability (pin ZN) = 0.67
Toggle rate (pin ZN) = 7.7 million transitions/sec
01. 漏電功耗計算
标準單元、宏單元的漏電功耗需根據狀态從時序庫(Timing library)查表得到leakage power并結合duty進行計算。
漏電功耗與input的duty有關，和output的toggle rate無關。
查表得相關數據如下：
leakage_power(){
value: 42.2;
}
leakage_power(){
value: 26.1;
when: "!A1 !A2";
}
leakage_power(){
value: 33.0;
when: "!A1 A2";
}
leakage_power(){
value: 27.0;
when: "A1 !A2";
}
leakage_power(){
value: 82.7;
when: "A1 A2";
}
漏電功耗計算公式如下：
Cell Leakage Power =
26.1*(1-0.6)*(1-0.55)
33*(1-0.6)*0.55
27*0.6*(1-0.55)
82.7*0.5*0.55
= 41.99nW
02. 内部功耗計算
根據timing library中cell的internal_power查表結合duty和toggle rate進行計算。
内部功耗與input信号slew和output的load強相關，與toggle rate有關。
查表得相關數據如下：
pin(A1){
direction: input;
internal_power(){
when: "!A2&ZN"; /*Transition at A1 does not cause an output transition.*/
rise_power(scalar){
values("0.004");}
fall_power(scalar){
values("0.006");}
}
}
pin(A2){
direction: input;
internal_power(){
when: "!A1&ZN"; /*Transition at A2 does not cause an output transition.*/
rise_power(scalar){
values("0.006");}
fall_power(scalar){
values("0.008");}
}
}
pin(out){
direction: output;
internal_power(){ /*A1 causes output transition */
related_pin: "A1";
rise_power(scalar){
values("0.043");}
fall_power(scalar){
values("0.016");}
}
internal_power(){ /*A2 causes output transition */
related_pin: "A2";
rise_power(scalar){
values("0.036");}
fall_power(scalar){
values("0.021");}
}
}
A1内部功耗計算公式如下：
Internal Power A1
= 1.5 million*(0.004 0.006)/2
= 7.5nW
A2内部功耗計算公式如下：
Internal Power A2
= 1.8 million*(0.006 0.008)/2
=12.6nW
A1對ZN作用的内部功耗計算公式如下：
Internal Power A1->ZN
= 3.5 million*(0.043 0.016)/2
=103.25nW
A2對ZN作用的内部功耗計算公式如下：
Internal Power A2->ZN
=4.2 million*(0.036 0.021)/2
=119.7nW
03. 翻轉功耗計算
翻轉功耗計算公式如下：
Switching Power
= 0.5*C*VDD^2*f
= 0.5*20*1*1*7.7
= 7.7nW
04. 具體分析
總功耗計算公式如下：
總功耗
= Leakage Internal Switching
= 41.99 (7.5 103.25) (12.6 119.7) 7.7
= 366.589nW
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