最近小编在微信公众号后台陆续收到一些粉丝的留言，希望多讲讲低功耗设计实现方面的基础知识，实现经验等。今天又是周末了，小编还是老样子到咖啡厅开始码字，筹划安排后续分享内容（公众号和星球），当然还有小编的互联网项目。低功耗设计在当前的 IC 设计中确实非常重要，因此有比必要多科普分享一些相关的知识和经验。只要你持续关注小编，假以时日你也能够轻松玩转低功耗的芯片实现（数字后端真的一点都不难）。
低功耗设计目的
消费类电子产品在生活中扮演了非常重要的角色，比如小天才电话手表，手机，ipad，手环等便携式设备都离不开我们的平常生活。在同等性能的情况下，功耗低的产品势必更受市场和消费者喜爱。因为功耗低的产品较功耗高的产品更省电，能够工作的时间更长。举个简单的例子，比如有一款手机每隔一个小时就需要充电，试问你会买吗？
设备消耗电能，会产生热量，消耗的能量越多，产生的热量就越多。发热越严重，热噪声越大，就会影响器件的正常工作，从而导致芯片无法正常工作。动态功耗比较高的芯片，往往可能芯片实现时 timing signoff 的频率是 1.2GHz，可是 silicon 上可能只能跑 800MHz。这主要因为功耗太高，芯片的温度就会飙升，温度升高，管子的 delay 就会变大，所以很有可能导致 setup 并非如 timing signoff 时那么好，可能在当前的温度下，setup 出现较大的 timing violation。
如果不做低功耗设计，可能会导致后期成本的增加，从而导致整个系统的成本增加。例如，不进行低功耗设计，发热量就可能增加，在封装的时候，就需要考虑怎么给你这个芯片进行散热，比如采用散热比较好的材料等，这样必然增加封装的成本。再比如，在进行系统组装的时候，如果那你的芯片功耗过大，就需要考虑在系统外给你进行散热，比如说添加一个风扇，发热很严重的甚至需要进行水冷处理。
无论是芯片，Package 还是 PCB 面积的增加都会直接影响芯片的成本，从而影响整个产品的成本。
功耗的组成
在 CMOS 电路中，静态功耗主要是漏电流引起的功耗，如下图所示：
漏电流有下面几个部分组成：
PN 结反向电流 I1（PN-junction Reverse Current）
源极和漏极之间的亚阈值漏电流 I2（Sub-threshold Current）
栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流 I3（Gate Induced Drain Leakage）
栅极和衬底之间的隧道漏电流 I4（Gate Tunneling）
一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流（进入超深亚微米工艺之后，隧道漏电流成为主要电流之一），因此下面就简单介绍一下这两种电流。
栅极泄漏功耗：在栅极上加信号后（即栅压），从栅到衬底之间存在寄生电容，因此在栅衬之间就会存在有电流，由此就会存在功耗。
亚阈值电流：使栅极电压低于导通阈值，仍会产生从 FET 漏极到源极的泄漏电流。此电流称为亚阈值泄漏电流。在较狭窄的晶体管中，漏极和源极距离较近的情况下会产生亚阈值泄漏电流。晶体管越窄，泄漏电流越大。要降低亚阈值电流，可以使用高阈值的器件，还可以通过衬底偏置进行增加阈值电压。
静态功耗的计算公式如下所示，Ipeak 为泄漏电流：
Ppeak = VDD*Ipeak
通常 leakage 与工艺相关，在选定工艺后，需要查看 foundary 提供的 lib 文件进行查看，从而选定一种或者几种适合当前 design 需求的 library。比如 C30LVT 可能 leakage 比较大，相比 C35RVT，C40LVT 的 leakage 可能要大好几倍。因此，我们在做数字后端实现时可能就不会选用 C30LVT 这套库。
动态功耗
动态功耗包括：开关功耗或者称为翻转功耗、短路功耗或者称为内部功耗。
在数字 CMOS 电路中，对负载电容进行充放电时消耗的功耗，我们称之为开关功耗。下面我们以一个普通 CMOS 反相器为例来说明。
当 Vin = 0 时，上面的 PMOS 导通，下面的 NMOS 截止；VDD 对负载电容 Cload 进行充电，充电完成后，Vout 的电平为高电平。
当 Vin = 1 时，上面的 PMOS 截止，下面的 NMOS 导通，负载电容通过 NMOS 进行放电，放电完成后，Vout 的电平为低电平。
这样一开一闭的变化，电源的充放电，就形成了开关功耗，一般也称之为 Switch Power。开关功耗 Psitch 的计算公式如下所示：
Pswitch = 1/2*VDD2*Cload*Tr
在上式中，VDD 为供电电压，Cload 为后级电路等效的电容负载大小，Tr 为输入信号的翻转率。
翻转率是指单位时间内信号的翻转次数。比如一个时钟周期 T=20ns，在这个时钟周期内，一个信号翻转了 4 次，那么翻转率即为 4/20=0.2。这里需要指出的是信号的翻转次数是指从 0—>1，或者 1-0，不含从 0-X，或者 X-0(1)，这个在做芯片IR Drop 分析时需要特别注意，否则可能会导致结果不准确。
短路功耗也称为内部功耗（Internal Power），短路功耗是因为在输入信号进行翻转时，信号的翻转不可能瞬时完成，因此 PMOS 和 NMOS 不可能总是一个截止另外一个导通，总有那么一段时间是 PMOS 和 NMOS 同时导通，那么从电源 VDD 到地 VSS 之间就有了通路，就形成了短路电流，如下面的反相器电路图所示：
短路功耗 Pshort 的计算公式如下所示，其中 VDD 为供电电压，Tr 为翻转率，Qx 为在一次翻转过程中从电源到地的电荷量。
Pshort = VDDTrQx
因此，我们知道动态功耗主要由开关功耗和短路功耗组成，而且开关功耗在动态功耗中占比特别大。从开关功耗的公式可以得知，在数字 IC 整个设计流程中可以通过改变工作电压，翻转率和负载电容来改善 switch power，从而改善动态功耗。
实践表明，时钟树功耗占据整个动态功耗的 60-70%。因为数字 IC 的低功耗设计实现需要着重考虑时钟的设计实现。比如 clock gating 的方法，时钟树综合的策略等。
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ICC/ICC2 lab 的编写
基于 ARM CPU 的后端实现流程
利用 ICC 中 CCD（Concurrent Clock Data）实现高性能模块的设计实现
基于 ARM 四核 CPU 数字后端 Hierarchical Flow 实现教程
时钟树结构分析
低功耗设计实现
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