硬件系统的低功耗设计分析_张武斌.pdf
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1、14 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期(总第 352 期)2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计0 引言 近年来硬件系统的信息处理能力和算力都在显著提升,硬件设备的集成度也在不断提高,电子行业产品的发展趋势是具备更小的体积和更强的信息处理能力。然而这些性能在提升的同时也带来了一个问题,那就是系统功耗的不断上升。如果一个系统一直在高功耗的工作状态下运行,会产生诸多负面效果,从而降低系统整体的可靠性和稳定性。如何解决这个问题,成为许多设计人员的重要任务。1 硬件系统功耗的特点电子系统的硬件功耗。功耗(Power)与能量(Energy)是两个完全不同的概念。功
2、耗是一个瞬时的概念,而能量描述的是一段时间内的累计消耗。功耗是功率的损耗,指电子系统、电力系统等输入功率和输出功率之间的差额,它们之间的关系式为:功耗=输入功率-输出功率。在硬件系统中,功耗通常会以元器件、PCB整板、连接线束、接插件上耗散热能的形式表现出来。功耗的单位为W,瓦特是国际单位制中的功率单位,W的定义是1J/s,即每秒转换、使用或耗散的能量的多少,这里的能量用焦耳来量度。在电学单位制中,功耗的单位也可以写作伏特乘安培(1VA)。几组公式是关于功耗定量计算最常用的表达式,通过这几组式子也可以加深我们对功耗这个概念的理解。(1)功耗和能量、时间之间的关系为式(1)。P=W/t (1)其
3、中,P代表系统功耗,W代表系统在一段时间内消耗掉的能量,t代表系统工作时间。(2)功耗和电压、电流之间的关系为式(2)所示。P=UI (2)其中,P代表系统功耗,U代表工作电压,I代表工作电流。(3)功耗在纯电阻电路中的关系为式(3)。P=I2R=(U2)/R (3)其中,P代表系统功耗,U代表工作电压,I代表工作电流,R代表系统总的电阻值。硬件系统功耗的种类与来源。想要进行低功耗设计,就需要了解功耗的分类和来源。硬件系统的功耗可以分为动态功耗、静态功耗和浪涌功耗。随着半导体技术的进步,目前多数硬件电路内部采用的是MOS管工艺器件,MOS管器件在功耗特性上是优于TTL器件的,但依旧会不可避免地
4、产生系统功耗。2 硬件系统的功耗的种类 硬件系统的功耗的种类如图1所示。2.1 动态功耗动态功耗是指整个系统开始工作,芯片内部开始运行程序时产生的功耗。如果对动态功耗再进行细分,可以分为开关功耗和短路功耗,有的文献中也把开关功耗称为翻转功耗。开关功耗是在硬件系统中,当逻辑器件的门进行翻转时,电源会对负载电容充电和放电,产生开关电流,这个过程中消耗的功耗称为翻转功耗;短路功耗是在输入信号进行翻转时,信号的翻转不可能瞬时完成,因此在系统中PMOS管和NMOS管不可能总是一个截止另外一作者简介:张武斌,上海司南卫星导航技术股份有限公司,工程师;研究方向:硬件电路、电子系统设计。收稿日期:2022-1
5、2-04;修回日期:2022-12-23。摘要:阐述硬件系统中的功耗的种类,包括动态功耗、静态功耗、浪涌功耗,探讨硬件系统中的低功耗策略,硬件低功耗设计、软件低功耗设计。关键词:低功耗策略,动态功耗,静态功耗,浪涌功耗,软件低功耗。中图分类号:TN710.2 文章编号:1674-2583(2023)01-0014-04DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.005文献引用格式:张武斌.硬件系统的低功耗设计分析J.集成电路应用,2023,40(01):14-17.硬件系统的低功耗设计分析张武斌(上海司南卫星导航技术股份有限公司,上海 201801)Abstra
6、ct This paper describes the types of power consumption in hardware systems,including dynamic power consumption,static power consumption,surge power consumption,and discusses the low-power strategy in hardware systems,hardware low-power design,and software low-power designIndex Terms low power consum
7、ption strategy,dynamic power consumption,static power consumption,surge power consumption,software low power consumption.Analysis of Low-power Design of Hardware SystemZHANG Wubin(ComNav Technology Co.,Ltd.,Shanghai,201801,China.)集成电路应用 第 40 卷 第 1 期(总第 352 期)2023 年 1 月 15Research and Design 研究与设计个导通
8、,总有那么一段时间是使PMOS管和NMOS管同时导通的,那么从电源到地之间就有了通路,就形成了短路电流,这个过程中消耗的功耗称为短路功耗。图2所示为一个硬件系统中代表性的电路结构:使用PMOS管和NMOS管搭建的推挽电路。这里可以很形象地看出在电路工作的时候,开关电流和短路电流产生的方式和最终路径。硬件电路中使用PMOS管和NMOS管组合工作的电路非常多,工作原理也和图2很类似。因此,在电路中,这种功耗是普遍存在的。2.2 静态功耗静态功耗是指硬件系统在待机状态时产生的功耗,这是由于器件漏电流的存在而引起的。静态功耗主要来源于系统待机时固有电阻的电流功耗、半导体器件内部PN节的反向电流、MOS
9、管器件的源极和漏极之间的亚阈值漏电流、MOS管器件的栅极漏电流、MOS管器件的栅极和衬底之间的隧道漏电流等。2.3 浪涌功耗浪涌功耗是指硬件系统启动瞬间所产生的功耗。类似的场景例如开机,唤醒系统等,此时启动电流会比较大,产生浪涌功耗。这种功耗的产生,多数是由于刚开机的时候,电源会给电路中的大容量电容充电所造成的。因为,电容在刚充电的瞬间内部接近短路,阻抗非常小,会导致充电电流较大。这个过程中主要产生的浪涌电流也被称为启动电流。图3所示为理想电容器充电和放电阶段的曲线图,其中Uc和Ic分别代表电容上的电压和流过的电流。我们可以看出在对电容刚开始充电的一瞬间,电流值是非常大的,随后则会慢慢降低。3
10、 硬件系统低功耗的设计策略通过上述分析,我们了解到了硬件系统功耗的概念、种类和主要来源。接下来我们从系统高功耗的弊端和低功耗的必要性两个角度来继续分析关于图1 硬件系统的功耗的种类图图2 硬件系统中的开关电流和短路电流图16 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期(总第 352 期)2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计硬件系统设计中的功耗问题。3.1 高功耗的弊端功耗的本质就是能量耗散。我们根据能量守恒定律可以知道:能量只能从一种形式转成另一种形式,而能量的总量保持不变。在硬件系统中,耗散掉的电能主要转化成为热能。如果整个系统的功耗过大,会产生诸多问题:(1
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