移动通信芯片的低功耗设计研究与实现

移动通信芯片的低功耗设计研究与实现

余 华 邹雪城

( 华中科技大学电子系 武汉 430074)

摘 要

分析了移动通信芯片功耗的主要来源, 并 从芯片设计的不同阶段提出了低功耗优化设计措施, 取得了较好的效果。

关键词: 移动通信 低功耗设计 功耗 来源 中图分类号: T N 47

Research and Implementation of Low Power Design for Mobile Communication Chip

Yu Hua Zou Xuecheng

( Department of Electronic Science and T echnolog y, HU ST , Wuhan 430074)

Abstract: T his paper analyzes the main source for mobile communication chip. Low power optimized desig n methodologies for hig h- per for mance are present ed acco rding to different design period.

Key words: M obile Communication, Low Pow er Design, Power Consumption Source Class number: T N 47

1 引言

半导体技术的发展使手机不断推陈出新, 当前 的智能手机已经能实现很多通常在电脑中才涉及 的功能, 如高保真立体声效、3D 图形效果、DVD 效 果的视频播放以及交互式的多媒体游戏等。对于 设计工程师而言, 智能手机相对传统手机的最大差 异是前者在传统的基带处理器之外还增加了一块 应用处理器, 并采用了可以运行应用软件的嵌入式 操作系统。丰富功能的实现离不开先进的应用处 理器, 当 前的 主 流应 用 处理 器 时钟 超过 了 数百 MH z, 通常都集成了如 AR M 内核、视频加速器、各 种接口控制器、内存以及显示驱动等电路。然而多 功能集成与电池容量的不足使得设计者必须面临 低功耗设计的挑战, 在电池容量有限的条件下采用 新的低功耗设计技术是必然选择。另一方面, 功耗 的提高带来了一系列的现实问题: 首先, 功耗增加 引起的芯片工作温度上升, 从而导致半导体电路的 运行参数漂移, 影响芯片的正常工作; 其次, 功耗增 加引起的芯片工作温度上升还会缩短芯片寿命, 这 必然限制了系统性能的进一步提高。未来的手机 会集成更多需要耗电的功能或特性, 而低功耗无疑 是移动通信芯片的关键参数之一, 所以移动通信芯

片的低功耗设计就成为一项重大研究课题。

移动通信芯片的设计是一个追求性能、面积和 功耗等多个设计目标优化的过程。功耗的优化不 是孤立地局限于某一设计层次或某几个功能模块, 功耗优化的技术和方法是与其他设计目标相互约 束并有机结合的, 不同设计层次从不同的角度对功 耗进行优化, 各个层次的优化方法既具有自己的优 点, 又具有各自的局限性。本文将重点从移动通信 芯片的系统算法级设计、结构级设计以及物理级设 计等不同的阶段来实现系统芯片功耗的优化设计。

2 移动通信芯片的功耗来源

目前, 大多数手机芯片都采用 CMOS 工艺进行 制造, 如果我们将手机芯片电路分为数字电路、模拟 电路和射频电路, 则各部分电路功耗分析如下:

( 1) 数字电路部分的功耗

Ptotal= Pdy namic+ Pshor tcircuit+ Pstat ic+ Pleakage

式中, ¹ 动态功耗 Pdynamic, 它是对电路中的电容负 载充放电形成的;

º 短路功耗 Pshor tcir cuit, 门电路输出状态 发生 改变时两个 CM OS 晶体管同时导通产生的;

» 静态功耗 Pstatic, 是指在电路稳定时由于各 种泄漏电流的存在, 如 MOS 器件的亚阈值电流和 计算机与数 字工程 第 33 卷150

¹收到 本文时间: 2005 年 1 月 18 日

反向饱和电流使得电路存在静态功耗, 它是由电源 到地的电流所形成的功耗, 这部分功耗数值较小;

¼ 漏电流功耗 Pleakage, 是由亚阈值电流和反 向偏压电流造成的。在深亚微米 CM OS 工艺下, 由于 MOS 管的栅长减 小, 当手机在 待机模式下, 也即电路中晶体管关断时, 沟道泄露电流增加, 造 成此部分功耗增加, 使得这部分功耗也较为显著。

在上述四种 功耗中, 动 态功耗还是 最主要部 分, 我们对其做进一步分析。对电路中电容负载充 放电的动态功耗计算公式为:

Pdy n=

E

式中: ¹ A为电路节点的开关活动因子, 它描 述了容性结点翻转活动的几率。因为在逻辑门输 入端变化时, 其输出端不一定变化, 而是有一个几 率。例如, 对于反相器, 其输入变化时, 输出一定变 化, 故 A为 1; 对于两输入与非门, 输出为 1 的几率 PI 是 3/ 4, 为 0 的几率 P0 是 1/ 4, 那么输出发生变 化的几率A= P1* P0= 3/ 16。

º CL为电路节点的等效电容;

» VDD代表供电路工作电压;

¼ f 代表时钟频率。

该式表明基本上可从四个方面来降低动态功 耗: 降低供电电压 VDD、减少等效电容 CL、降低时 钟频率 f、减小开关系数 a, 但这几方面也不是单纯 地降低某一项数值, 需要进行结合芯片综合性能, 进行折衷考虑。

( 2) 模拟和射频电路功耗

对于模拟和射频电路而言, 由于其功能单元电 路实现形式有较大的个体差异, 很难象数字电路那 样定义通用的低功耗设计规则。在模拟电路中, 晶 体管常工作于线性区, 需要设置适当的偏置电压, 当其工作在亚阈值模式下, 可以大大降低功耗, 适 宜于低功耗模拟电路设计, 但在实际应用中, 弱反 型的精确建模还是较困难的, 因此模拟和射频电路 的低功耗设计根据不同的电路而采取的独特的低 功耗设计措施。

3 低功耗的硬件设计实现

( 1) 系统级的低功耗设计

对于手 机 芯片 的 设 计通 常 采 用的 是 top - dow n 的设计方法, 系统级处在设计的较高抽象层 次上, 具有较大的优化和选择余地, 设计层次越高, 优化所能达到的效果越好。在系统级上进行低功 耗优化设计, 它们的优化程度最大可以达到几倍。

¹ 合理估算系统功耗

在手机芯片的系统算法级设计时, 对于整个芯 片的总功耗进行仿真估算是非常关键的, 但要对芯 片进行精确直观的功耗仿真也是较困难的, 因为在 系统算法级, 对于芯片功能的描述采用的是一些抽 象的数学方程, 而这些方程在结构级、电路级可以 采用多种不同的结构和电路来实现, 这必会对功耗 的估算带来难度。但我们仍可以找到一个相对较 优而不是绝对最优的低功耗设计方案。我们采用 了以下方法, 首先从系统功能的抽象描述( 如 Sys- tem C 语言) 着手, 把系统芯片功能合理 划分为硬 件和软件两部分来协同实现。一块移动通信芯片 应具有的一些功能, 既可通过软件来实现, 也可通 过在系统内建的专用电路来实现, 比较两者的功耗 得出一个较低功耗的实现方案。软硬件的划分处 于设计的起始阶段, 为降低功耗带来更大的可能。

这里虽不能对功耗做出精确的估算, 但可采用 F P- GA 器件实现对不同软硬件系统划分所具有的功 耗进行比较, 从而对不同实现方案作出选择。仿真 环境如图 1 所示。

图 1 移动通信系统软硬件协同仿真功耗估算 系统中加入了 FPGA 用来作为软硬件协同仿 真的验证平台, 其功耗验证的结果可以存贮起来, 以备用。当然这里在 F PGA 仿真中获得的功耗数 据与实际的芯片还是有差距的, 必竟其功耗环境不 一样, 为了解 决这一 问题, 现在 可用功 耗分析 的 EDA 软件计算两者之间的差值, 从而解 决这个问 题。但其更重要的意义在于它可以给系统设计者 带来一些参考信息, 即可以对同一系统不同实现方 式所带来的功耗进行较好的比较, 为选择不同系统 结构提供了更大的灵活性, 尽量使最后选择的系统 解决方案达到最优。

º 功耗管理

功耗管理可以分为动态功耗管理和静态功耗 管理两种: 动态功耗管理是对正常工作模式的功耗 进行管理, 在执行一个特定的操作时, 电路各个模 块的活动级别不同, 有的需要被调用, 有的可能就 不会被调用。动态功耗管理的思想就是设计并区 分不同的工作模式, 有选择地将不被调用的模块挂 起, 这对于避免手机在正常和待机工作模式下不必 第 33 卷( 2005) 第 9 期 计算机与数字工程 151

要的功耗浪费是至关重要的。静态功耗管理是对 待机工作模式的功耗进行管理, 它所要监测的是整 个系统的工作状态, 而不是只针对某个模块。如果 系统在一段时间内一直处于空闲状态, 那么静态功 耗管理就会把整个芯片挂起, 系统进人睡眠状态, 从而大大降低功耗。

» 指令级优化

在移动通信芯片的嵌入式 DSP 设计中, 可在系 统结构级设计时采用指令级优化措施。它包括以下 几个方面: 对于确定的处理器, 执行每条指令所需功 耗是一定的, 应选择一个在保证实现系统功能的前 提下运行功耗最小的指令集; 选择合理的指令长度 ( 如 16 位、32 位或可变长度) , 提高程序的代码密度, 以减少对存储器访问的功耗; 进行指令编码优化, 指 令编码优化是通过对应用程序指令相关性的统计, 对指令进行编码优化, 使读取指令时总线上的信号 翻转最少。通过软件仿真可以证明编码优化能在现 有指令编码的基础上, 减少指令序列的指令操作码 域、寄存器域和无用位域信号翻转的百分比分别是 62. 1% 、14. 8% 、4. 2% , 采用指令编码优化对功能部 件运行和内部总线通信来说, 能有效地降低功耗。

¼ 芯片内采用多频率时钟

芯片内不同的功能模块之间有着不同的速度 和性能要求, 在速度和性能要求较高的核心模块和 关键路径上, 可采用较高的时钟频率, 而在其他一 些模块中, 可使用相对较低的时钟频率, 该技术有 助于降低非核心模块和非关键路径的功耗, 从而降 低芯片的总功耗。

( 2) 结构级低功耗设计技术

¹ 采用门控时钟

门控时钟就是在系统时钟分配网络中加入门 控逻辑, 控制功能单元的时钟输入。门控时钟在移 动通信芯片的某些功能单元不工作时, 阻断该功能 单元的时钟输入, 停止该单元的工作( 停止单元内 部信号翻转) , 从而降低系统的运行功耗。由于功 能模块存在关闭和重新开启的时间开销, 不可避免 地会降低系统整体性能。采用门控时钟这项技术 时, 功能单元关闭速度快( < 1 微秒) , 开启速度慢, 会引起时序上的问题, 所以系统中也不宜过多使用 门控时钟, 否则会导致逻辑错误增加。在移动通信 芯片设计中, 我们使用软件控制实现门控时钟, 通 过相应指令设定特定控制寄存器的相应位, 控制相 应模块的时钟输入, 从而有效降低了系统功耗。

º 降低输入电压, 采用可变电压技术

从系统动态功耗来源分析可以看出, 芯片功耗

与电源电压成正比, 降低工作电压是最直接有效的 降低功耗方法。通常电路都工作于相同的电压, 而 动态电压技术是根据系统的不同工作状态对系统 性能的不同要求, 以及不同的功能模块, 动态地改 变电压或采用多电 压供电, 以 最大限度地降 低功 耗。动态电压技术的制约因素是电压变换电路的 功耗和电压变换延时。

我们采用了如图 2 所示的高性能的动态电压 控制器, 图中采用了 DC/ DC 变换器, 可 以提供多 种可变电压, 含有关键路径的测试电路的电压由可 调节电压 VDD. 供给。测试电路的性能与控制器所 要求的性能相比较, 然后去调节 DC/ DC 变换器的 输出。这种方案要求电路的关键路径和测试电路 要有足够的延迟匹配, 以避免在工艺和温度变化时 发生错误。

图 2 动态电压控制器

DC/ DC 变换常采用两种方法: 一种为 Buck- Boost( 降压和升压) 变换器, 它能提供较好的性能, 但其对电感的要求不太适合于数字专用集成电路;

另一种为开关电容变换器, 如图 3 所示, 它具有较 高的效率和灵活性, 输出端的电容起滤波作用。

图 3 开关电容变换器

( 3) 物理 级 低 功 耗 设计技术

¹ SOI 设计技术 SO I 技术在低压低功 耗设计中应用广泛, 主要 是因为采用这种技术在较 低的电压条件下可以改善 器件的性能和降低成本, 薄膜 SOI CMOS 工艺由于在低电压条件下具有很好 的性能而应用到深亚微米。SOI 器件采用绝缘介质 作为隔离, 所以与普通的 CMOS 器件相比, 具有比较 好的性能, 没有自锁效应, 具有较高的集成度, 较低 的寄生电容和理想的亚阈值漏电流。采用 SOI 器 件, 电路的电容可以降低约 30% , 再加上较低的工 作电压, 可以大大降低电路的功耗。

º 布局布线优化设计

随着功耗问题的日益突出, 对版图的布局布线 有了更高的要求、在保证 100% 布通率的前提下, 还要考虑实现低功耗。布局布线优化设计主要集 移动通信芯片的 低功耗设计研究与实现 第 33 卷152

中在寄生电容与翻转频率这两个相关的因素, 通过 将连线合理的安排在不同的层面上达到降低功耗 的目的。主要方法包括:

( a) 、找出翻转频率比较高的结点, 把这些结点 安排在电容较小的层面上, 如第二层金属布线层或 更高的布线层;

( b) 、翻转频率比较高的结点连线要尽量的短;

( c) 、把高电容性的结点和总线放在电容较小 的层面上;

( d) 、对于大尺寸的器件可采用梳状和环形结 构, 以减小漏结电容。

» 采用新器件

位于射频部分的发送功率放大器是手机中最 耗电的元件, 最大峰值电流差不多要达到 1A, 在常 规的应用环境下, 它几乎要消耗一半的手机电池能 量。因此, 对设计工程师来说, 这部分要特别加以 关注。目 前 手 机 功 放 元 件 大 多 仍 采 用 砷 化 镓 HBT , 它在市场上占据了主导地位, 但可能增强型 准晶高电子迁移率晶体管( E- PHEMT ) 技术的功 率放大器将可能成为手机功放的新选择。该类器 件的工作电压可低至 2V, 而且由于采用了一种自 动调节技术来解决温度漂移问题, 避免了在 HBT 技术中采用的限流电阻, 因此该类芯片能有效地降 低射 频 部 分 的 功 耗。典 型 情 况 下, 采 用 E -

PH EMT 技术的功放可以将电池使用寿 命提高近 15% , 该类器件在 CDMA / G SM 手机中得到大规模 的应用。

4 结论

功耗是移动通信芯片的一个主要问题, 本文探 讨了在设计的几个不同阶段进行功耗优化设计的 措施, 并在电路仿真中取得了较好的效果。但低功 耗优化设计也是一个多目标性能优化的问题, 随着 移动通讯技术的发展, 这一领域将涌现出更多的新 技术、新工艺, 以适应市场的需要。

参 考 文 献

[ 1] 牛风举等, 基于 I P 复用的 数字 IC 设计技 术[ M ] . 电子 工业出版社, 2003. 9

[ 2] 吴少军等. 实用低功耗设计 ) ) ) 原理、器件与应用[ M ] . 人民邮电出版社, 2003. 3

[ 3 ] Cristina Silvano, Pow er Estimation and Optimizatio n M et hodologies for Digital Cir cuits and Systems. Ph. D.

T hesis, U niversity of Brescia, 1998.

[ 4] A. A . Abidi, G. J. Pottie, Power Conscious Design of Wir eless Circuits and Systems. Proc. IEEE, Oct 2000, pp. 1528- 1545.

[ 5] Dynamic Power M anagement for Embedded System, V er- sion 1. 1 November 19, 2002, IBM & M ontaV ista Soft- w are。

( 上接第 130 页)

曲线( 1) 是用直线段拟合的曲线, 其关联的纵轴是 概率的, 拟合分为三段; 曲线( 2) 是由前面的曲线反 演出的结果, 由于其所关联的纵轴是线性坐标轴, 所以表现的形态近似于标准概率分布曲线; 图下方 的结果参数是概率分布曲线反演的结果。

4 结论

我们利用面向对象的思想, 和数值分析算法, 设计了一个平面坐标系统。主要解决了如下问题:

( 1) 多个、多种坐标系统的协调显示和关联问 题。本设计提供的系统可以在同一显示平台上有 多个、多种坐标系统。可供选用的坐标系统有, 线 性- - 线性系统、线性- - 对数系统、线性- - 概 率系统以及它们的对称系统。

( 2) 不同规模的数据分析与显示问题。通过这 种设计, 同一种数据可以利用不同的坐标系显示。

对于变化较大的数据, 利用对数坐标系统可以避免 小数与大数在一起无法正确显示的问题; 而对于正 态分布的数据, 选用概率坐标, 则数据近似一个直

线, 这是可以很容易看出数据的异常点等问题。

( 3) 数值分析综合利用问题。提供数据拟合功 能。根据曲线显示形态, 对于不同数据, 或者同一 个数据的不同数据段选择不同的拟合方式, 然后依 据拟合曲线进行相应的分析。

本设计在生产实践中已经得到利用, 在克拉玛 依勘探院的地质图文综合系统中的应用得到了工 程人员的高度评价, 其设计方法已被引入到油田网 络数据库。此坐标系统可以做成控件应用于各种 应用程序和网络空间, 这种思想已得到了有关用户 的认同。

参 考 文 献

[ 1] 秦波 面向对象软件工程 方法的特 点及发展[ J] . 内蒙古 科技与经济 2004, ( 1) : 30- 32

[ 2] 王燕 面向对象的理论与 C++ 实现[ M ] . 清华大 学出版 社 1997

[ 3] David J. Kruglinski , Scot Wingo & Geor ge Shepherd V-i sual C+ + 技术内幕( 第五版) [ M ] . 北京希望电子出版社 1999

[ 4] 杨中华, 汪蕙 数值计算方法与 C 语言工 程函数库[ M ] . 科学出版社 1996

第 33 卷( 2005) 第 9 期 计算机与数字工程 153