芯不雅观察：芯片设计若何做到降低功耗？_功耗_芯片

从事理上说，功耗即为功率，指的是单位韶光内花费的能量。
在此我们不再详述功耗的事理，直接列出在芯片设计上常用的低功耗设计思路：

常见低功耗设计思路

上面列举了芯片设计领域比较常见的低功耗设计方向。
个中运用最多的便是优化芯片架构，升级生产工艺、降落芯片事情电压、采取不同速率的标准单元，分区域采取不同电压的电源以及模块关断（多电压域），而个中运用最多最广泛的是个中的以下几种：

正由于这些方法能够有效降落功耗，大家才会在大多数手机、电脑的发布会上看到大量关于芯片架构更新，生产工艺升级的信息；同时如果如果你仔细去看，本日很多高性能的芯片事情电压比十年前要低很多，其目的之一也是为了降落功耗。

在详细阐明上述观点之前，我想先把芯片中紧张的功耗构成大略先容一下。
芯片功耗紧张分为静态功耗和动态功耗，基本事理如下图所示：

动态功耗与静态功耗

在我们本日先容的各种低功耗设计手腕中，也是从降落这两方面的功耗出发的。
下面我们详细阐明一下这几种与后端息息相关的低功耗设计方法。

这是运用最广泛，最行之有效的方法之一。
它的事理在于，随着晶体管的尺寸越来越小，其泄露电流也更小，从而能够整体降落leakage power。
因此我们常常能够看到这样的新闻：某某芯片从22nm升级到14nm，性能提升x%，功耗降落y%等。
这个中的功耗降落固然可能包含架构方面的改进，但是工艺升级带来的上风一定是非常明显的。

工艺升级比较

上图是台积电公开资料中最近几代工艺的功耗性能比较，其他代工厂的工艺参数在变革趋势上该当大致相同。
正因如此，浩瀚手机用的SoC芯片，包括但不限于苹果A系列、高通骁龙系列、华为麒麟系列、三星Exynos系列等，每一代都迫不及待地争抢在最前辈工艺上实现，便是由于前辈工艺带来的功耗和性能上风太过明显，以至于谁都无法忽略。

按照中学物理的打算公式，功率与电压和电流的乘积正干系。
在芯片上打算功耗虽然没有这么大略，但是从事理上降落芯片电压仍旧是降落功耗最直不雅观最有效的方法。
也正由于如此，当前大多数芯片的事情电压从最初的5V、3V一起低落，目前核心事情电压基本都在1V以下乃至0.5V以下。
而随之而来的困难在于，随着电压的低落，器件的速率也会随之变慢，但是电子设备对处理速率（即芯片频率）的哀求却越来越高。
以移动设备为例，最初的芯片频率不过几十上百兆赫兹，而现今最快的手机SoC频率峰值已经超过2GHz。
这也是每一代芯片升级背后所须要办理的技能难题之一。

动态功耗紧张是由旗子暗记的翻转引起的，而在芯片中，翻转最频繁的旗子暗记便是时钟（Clock）旗子暗记。
我们知道，芯片中各种逻辑功能的传输，数据保存等电路都由寄存器（DFF）合营时钟来实现：

在实际中会有这样的情形发生：某些寄存器新传过来的数据和已经保存的数据完备相同，纵然数据不更新仍能担保功能的精确性，而此时时钟旗子暗记仍旧翻转一次刷新了寄存器的数据。
这种情形只管在功能上没有任何问题，但是在功耗方面却是实实在在的摧残浪费蹂躏。
因此，在电路设计阶段以及逻辑综合阶段，设计者和EDA工具会根据芯片的功能和实际数据的变革情形，人为或者自动地插入一系列的时钟掌握单元（clock gating cell），从而担保仅在数据发生变革的时候旗子暗记才会翻转。

这是当前芯片行业最常用也是最随意马虎利用的设计方法之一。
所谓Vth，指的是逻辑门的阈值电压，可以大略地理解为器件的旗子暗记从0-1或者1-0转换所须要达到的最小电压。
而阈值电压和功耗与速率存在如下关系：阈值电压越高，器件速率越慢，功耗越小；反之阈值电压越低，器件速率越快，功耗越高。

阈值电压与速率和功耗的关系

在实际运用中，一样平常采取的策略为：对付性能哀求高的模块，采取Vth比较低的cell，让频率更随意马虎升高；对付性能哀求较低的模块，多采取Vth比较高的cell，让功耗更低。
通过这种方法，可以实现在同一块芯片上，根据性能和功耗的不同哀求而调度器件的利用，从而避免在不太主要的功能上摧残浪费蹂躏过多的功耗。

在利用手机的时候，我们常常会碰着这种情形：当我们看到电池快要没电而手头有没有充电设备的时候，我们会只管即便关闭所有运用，不再听歌不再看视频，乃至连舆图的定位与导航功能都不再开启，其根本目的就在于减少花费电池的功能。
在芯片设计中也引入了这种理念：一颗芯片中可能包含很多功能模块如数字旗子暗记处理（DSP），音频处理（AUDIO），定位（GPS），画面渲染和游戏（GPU），存储（Memory）等，但大多数功能并不会同时开启，因此为了降落不用模块在等待状态下花费的功耗，干脆就设计成在不用的时候把它们关闭。
这便是Power Gating最初的想法。
与此同时，对付性能哀求较高的CPU，GPU等模块，由于需求频率较高，在设计上可能采取较高的电压，而一些不太核心的模块如AUDIO，GPS等，可以采取相对低的电压来设计。
这样一来，整颗芯片可能就会变成下面的样子（下图不影射任何实际芯片）：

多电压域设计

这样一来，芯片的功耗最低时仅有一个CPU内核处于开启状态，可以大幅度减少其他模块在等待时的电量花费，从而增加电池利用韶光。

以上便是芯片设计中比较常见的低功耗手腕。
通过这些方法，可以有效减小芯片的整体功耗从而让利用电池的设备能够运行更长的韶光，在某些分外运用上乃至能够帮助省电省钱，比如矿机挖矿。