數(shù)字芯片中的低功耗設計（一）

功耗是芯片中比較重要的一個性能指標，有時甚至可以決定一個芯片的成敗。眾所周知，前段時間鬧得沸沸揚揚的“驍龍火龍”事件，就大大影響了這款芯片的市占率。對于工業(yè)級和車規(guī)級的芯片，功耗的高低體現(xiàn)的不是很明顯。對于消費級芯片（如手機CPU，IoT芯片等），由于往往應用在小型移動設備中，低功耗設計就顯得尤為重要。

有業(yè)內(nèi)專家曾經(jīng)指出，在不同的設計層次，進行功耗優(yōu)化的效果也不同。下表顯示了在一個產(chǎn)品的不同周期，可以減少功耗的百分比。

從芯片層級，降低功耗的方法可以從工藝和設計兩方面入手。其中，工藝的優(yōu)化是fab廠的工程師需要考慮的，作為一名芯片碼農(nóng)，主要考慮的就是設計層次。從設計層面，降低功耗的方法主要有下面兩點：做門控時鐘，做模塊并行。

門控時鐘介紹

一般來講，時鐘樹貫穿于整個芯片內(nèi)部，由大量的buffer和反相器組成。時鐘信號作為芯片中toggle率最高的信號，功耗可高達整個芯片功耗 的30%，甚至更高。加入門控時鐘（clock gating，cg）電路，可大大降低時鐘樹的toggle行為，從而降低開關功耗。此外，時鐘引腳開關行為的減少，寄存器的內(nèi)部功耗也會減少。門控時鐘是減少功耗的有力手段，在時鐘被門控關閉后，該時鐘網(wǎng)絡和其中的寄存器都會停止翻轉，因此功耗會顯著減低。一個典型的門控時鐘設計如下圖所示：

 對于時鐘源clk_source經(jīng)過一個額外的與門U2A，當clk_en為高時，clk_source能過通過到達U1A觸發(fā)器，當clk_en為低時clk_source無法到達觸發(fā)器。當clk_en為低時，觸發(fā)器及其時鐘網(wǎng)絡中的所有組合邏輯停止翻轉，out端保持不變。由于clk_source經(jīng)過了U2A與門，所有會產(chǎn)生一定的時鐘偏移。在波形分析上，下面這個圖可以比較好的理解門控時鐘的概念，只有當clk_en為高的時候，clk_out=clk_in，否則，clk_out=0。

cg方法1：使用與邏輯

這個也是最簡單的方法，直接將時鐘使能控制（門控）信號與時鐘做"與"邏輯。這個辦法簡單粗暴，但是也有一個嚴重的缺點：會有毛刺。當clk為低的時候，clk_en可任意變化，gclk都是低。但當clk為高的時候，clk_en必須保持不變，才能保證沒有毛刺，那什么東西能讓clk_en保持不變呢？

答案就是：鎖存器

cg方法2：加入鎖存器

在clk為低時鎖存器連通、clk為高時鎖存器鎖住，如下圖：

波形圖如下，可見當clk為低的時候gclk為低沒跑，但clk為高的時候，gclk的值可看作是clk上升沿采樣的clk_en的值。所以使用Latch可以有效地鎖存clk_en值，同時不影響clk的周期性。Latch門控時鐘的本質是clk上升沿鎖住了clk_en值，讓clk為高時clk_temp不會翻轉，所以消除了毛刺。

其RTL代碼如下：

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

cg方法3：使用標準單元庫

雖然使用 latch 可以解決門控時鐘毛刺的出現(xiàn)，但是時序也需要嚴格的約束。FPGA 或 IC 設計時，綜合庫中往往會有集成門控邏輯單元。此類門控邏輯單元經(jīng)過了大量的更新迭代和驗證，使用起來更加的方便、安全。因此一般情況下，門控時鐘的設計也都會直接調用專用的集成門控邏輯單元。調用方式和基本的與門、緩沖器等基本單元類似，直接例化即可。