数字IC低功耗设计入门（二）——系统与架构级低功耗设计（1）

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前面讲解了使用EDA工具（主要是power compiler）进行功耗分析的流程，这里我们将介绍在数字IC中进行低功耗设计的方法，同时也结合EDA工具（主要是Design Compiler）如何实现。我们的讲解的低功耗设计主要是自顶向下的设计，也就是说，我们首先介绍在系统架构层面上如何进行低功耗设计（或者可以从哪些方面进行低功耗设计）；然后我们在RTL层面和门级层面上介绍低功耗设计的方法，这两个种方法主要是依靠RTL代码和Design Compiler实现的，这是我们前端设计人员进行低功耗设计与优化所需要知道的，我们会着重介绍；最后我们简单介绍在物理设计层次上面降低功耗的方法。今天我们记录系统与架构级的低功耗设计。


1.系统与架构级低功耗设计
　　系统与架构层次的低功耗设计，可以节省70%以上的功耗。这个层次上的设计往往是由系统和架构设计人员进行的，这些人员往往是有着丰富经验的设计人员。他们制定了低功耗设计方案，由下一级的设计人员（比如做前端设计、做Flow的人员）进行具体实现。下面就来介绍一下在系统架构方面，可以从哪些方面进行低功耗设计，由于我只是只菜鸟，因此这些内容只是我在前人的经验中进行总结学习的笔记，仅供参考。
　　（1）多电压设计技术（Multi-VDD）
①多电压设计技术介绍
从前面的功耗方程中，我们可以知道，电压与功耗有着密切的联系。因此功耗的降低可以考虑使用低一点的电压。多电压设计技术有三种方式：



A：各电压区域有固定的电压，
B:各电压区域具有固定的多个电压，由软件决定选择哪一个电压，
C：自适应的方式，各电压域具有可变的，由软件决定选择哪一个电压，
A是固定分配的电压；而B和C为动态电压管理，涉及到软硬件协同设计，这里我们放到后面进行介绍。这里主要是从整体上进行介绍多电压设计技术及其要求，然后给出A方式的一个例子以及一个多电压低功耗设计的脚本示例。


②多电压综合库及电压模式控制单元
　　无论是哪一种低电压设计方式，都需要综合库的支出。这低功耗设计的综合库中，需要包含同一个单元在不同电压下的描述。此外综合库还要多电压设计的特殊单元，这些单元主要是：
　　·电平转换器（level shifter）：把高（低）电压区域的信号转换到低（高）电压区域。信号通常包括数据、时钟、扫描链数据等。电平转换器的示意图如下所：
　　　　　　　　　　　　　　
　　·电源隔离单元（power isolation cell）:主要用于模块的输入、输出。它可以关掉电源时，将信号保持为常数，从而避免单元的输入悬空。电源隔离单元如下图所示：
　　　　　　　　　　　　　
　　·保持寄存器（retention register）：在不工作的情况下，将寄存器的状态保留下来。
　　电源隔离单元和保持寄存器我们将在后面的电源门控中进行详细介绍，这里先给出一个概念。
　　为了实现电压的动态管理——无论是使用硬件还是软件进行动态管理，都需要在设中加入电压模式控制单元。一个电压模式控制单元的例子如下所示：


该模块的功能是：系统不工作时， 进入IDLE模式， 这时候可以关掉不工作模块的电源； 当系统工作时， 给工作模块提供正常电压。这个模块可以是软件实现，也可以是硬件实现。