芯片设计降低功耗的方法

功耗是芯片中比较重要的一个性能指标，有时甚至可以决定一个芯片的成败。众所周知，前段时间闹得沸沸扬扬的“骁龙火龙”事件，就大大影响了这款芯片的市占率。对于工业级和车规级的芯片，功耗的高低体现的不是很明显。对于消费级芯片（如手机CPU，IoT芯片等），由于往往应用在小型移动设备中，低功耗设计就显得尤为重要。

有业内专家曾经指出，在不同的设计层次，进行功耗优化的效果也不同。下表显示了在一个产品的不同周期，可以减少功耗的百分比。

设计层次	降低功耗百分比
版图级	<5%
晶体管级	5%
门级	10%
RTL级	20%
系统级	>50%

从芯片层级，降低功耗的方法可以从工艺和设计两方面入手。其中，工艺的优化是fab厂的工程师需要考虑的，作为一名芯片码农，主要考虑的就是设计层次。从设计层面，降低功耗的方法主要有下面两点：做门控时钟，做模块并行。

门控时钟介绍

一般来讲，时钟树贯穿于整个芯片内部，由大量的buffer和反相器组成。时钟信号作为芯片中toggle率最高的信号，功耗可高达整个芯片功耗的30%，甚至更高。加入门控时钟（clock gating，cg）电路，可大大降低时钟树的toggle行为，从而降低开关功耗。此外，时钟引脚开关行为的减少，寄存器的内部功耗也会减少。门控时钟是减少功耗的有力手段，在时钟被门控关闭后，该时钟网络和其中的寄存器都会停止翻转，因此功耗会显著减低。一个典型的门控时钟设计如下图所示：

对于时钟源clk_source经过一个额外的与门U2A，当clk_en为高时，clk_source能过通过到达U1A触发器，当clk_en为低时clk_source无法到达触发器。当clk_en为低时，触发器及其时钟网络中的所有组合逻辑停止翻转，out端保持不变。由于clk_source经过了U2A与门，所有会产生一定的时钟偏移。在波形分析上，下面这个图可以比较好的理解门控时钟的概念，只有当clk_en为高的时候，clk_out=clk_in，否则，clk_out=0。

cg方法1：使用与逻辑

这个也是最简单的方法，直接将时钟使能控制（门控）信号与时钟做"与"逻辑。这个办法简单粗暴，但是也有一个严重的缺点：会有毛刺。当clk为低的时候，clk_en可任意变化，gclk都是低。但当clk为高的时候，clk_en必须保持不变，才能保证没有毛刺，那什么东西能让clk_en保持不变呢？答案就是：锁存器

cg方法2：加入锁存器

在clk为低时锁存器连通、clk为高时锁存器锁住，如下图：

波形图如下，可见当clk为低的时候gclk为低没跑，但clk为高的时候，gclk的值可看作是clk上升沿采样的clk_en的值。所以使用Latch可以有效地锁存clk_en值，同时不影响clk的周期性。Latch门控时钟的本质是clk上升沿锁住了clk_en值，让clk为高时clk_temp不会翻转，所以消除了毛刺。

其RTL代码如下：

always@(*) begin  if(clk)    clk_temp = clk_en;  else    clk_temp = clk_en;endassign gclk = clk & clk_temp;

cg方法3：使用标准单元库

虽然使用 latch 可以解决门控时钟毛刺的出现，但是时序也需要严格的约束。FPGA 或 IC 设计时，综合库中往往会有集成门控逻辑单元。此类门控逻辑单元经过了大量的更新迭代和验证，使用起来更加的方便、安全。因此一般情况下，门控时钟的设计也都会直接调用专用的集成门控逻辑单元。调用方式和基本的与门、缓冲器等基本单元类似，直接例化即可。

审核编辑：汤梓红