【導(dǎo)讀】通過簡(jiǎn)單地降低電壓或頻率來實(shí)現(xiàn)低功耗不可取——試問有誰會(huì)去買性能打過折的產(chǎn)品呢？那么，低功耗CPU到底又是怎么實(shí)現(xiàn)的？
隨著智能手機(jī)等移動(dòng)應(yīng)用的興起，目前的處理器設(shè)計(jì)不僅要提供高性能，還必須要符合另一個(gè)重要指標(biāo)，那就是低功耗。通過簡(jiǎn)單地降低電壓或頻率來實(shí)現(xiàn)低功耗不可取——試問有誰會(huì)去買性能打過折的產(chǎn)品呢？那么，低功耗CPU到底又是怎么實(shí)現(xiàn)的？EDN小編今天來和大家理一理，簡(jiǎn)單來說，我們可以從微架構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝這兩個(gè)方面來看。
低功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：處理器功耗分析的經(jīng)典公式
要想實(shí)現(xiàn)低功耗，就必須了解電路中功耗的來源[1]。對(duì)于CMOS電路功耗主要分為三部分，分別是：電路在對(duì)負(fù)載電容充電放電引起的跳變功耗；由CMOS晶體管在跳變過程中，短暫的電源和地導(dǎo)通帶來的短路功耗；以及由漏電流引起的漏電功耗。其中跳變功耗和短路功耗為動(dòng)態(tài)功耗，漏電功耗為靜態(tài)功耗。以下是SoC（即CPU）功耗分析的經(jīng)典公式：
其中：ƒ是系統(tǒng)的頻率；A是跳變因子，即整個(gè)電路的平均反轉(zhuǎn)比例；C是門電路的總電容；V是供電電壓；τ是電平信號(hào)從開始變化到穩(wěn)定的時(shí)間。
在深亞微米工藝下，電路的功耗主要是跳變功耗，短路功耗和漏電功耗可以忽略不計(jì)。但隨著工藝發(fā)展到納米級(jí)，漏電功耗在整個(gè)功耗中的比例將顯著提高（如下圖所示）。
圖：不同工藝下動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗對(duì)比圖
低功耗的微架構(gòu)設(shè)計(jì)
基于上面這個(gè)功耗分析的公式，我們要設(shè)法降低的主要就是其中的第一項(xiàng)和第三項(xiàng)功耗，即跳變功耗和漏電功耗。我們首先來看微架構(gòu)設(shè)計(jì)，基本思路如下圖：
因此，我們可以衍生出很多的低功耗微架構(gòu)設(shè)計(jì)方法。里面比較重要的一些如下[1][2]：
•時(shí)鐘門控：給每個(gè)模塊的時(shí)鐘加上門控，不需要時(shí)將它關(guān)閉，從而盡可能降低功耗。
•電源門控：原理同上，盡可能降低動(dòng)態(tài)功耗和漏電功耗。
•異步電路：對(duì)于異步電路，大家第一反應(yīng)好像可以提高系統(tǒng)處理速度。但是因?yàn)楫惒诫娐沸枰M(jìn)行多次握手，處理速度未必比時(shí)序電路快多少。異步電路的另一個(gè)重要作用就是降低功耗，超過一半的功耗都是消耗在時(shí)鐘樹及其連接的觸發(fā)器上，采用異步電路能取消時(shí)鐘，從而消除時(shí)鐘樹而降低功耗。
•并行技術(shù)：并行技術(shù)是將一條數(shù)據(jù)通路的工作分解到兩條通路上完成。并行結(jié)構(gòu)可以在不降低計(jì)算速度的前提下，將工作頻率降低為原來的一般，同時(shí)電源電壓也可降低，可以明顯的降低功耗。但這種結(jié)構(gòu)是以犧牲面積為代價(jià)的。
•流水線技術(shù)：采用流水線技術(shù)，在較長(zhǎng)的運(yùn)算路徑分成多個(gè)較短的運(yùn)算。這樣工作頻率雖然沒有改變，但每一級(jí)運(yùn)算的路徑卻變短了，是電源電壓可以降低，所以流水線技術(shù)也可以降低功耗。
•降低頻率：利用并行處理增加電路來降頻，犧牲面積來降低功耗。
•降低電壓：電壓受頻率影響，可以通過降低頻率來降低所需電壓。當(dāng)頻率降低，電路開關(guān)速度降低，就能有更多時(shí)間去進(jìn)行充電，因此所需充電電壓就能降低(電壓越大充電速度越快)。同時(shí)，可通過流水線分割組合邏輯。若同時(shí)保持頻率不變，電路能有更多時(shí)間去進(jìn)行充電，從而降低所需充電電壓。
•動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）：動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率電壓到需要的值，避免浪費(fèi)，從而降低功耗。
•全局異步局部同步（GALS）：將系統(tǒng)劃分成不同的時(shí)鐘域,每個(gè)域使用合適的時(shí)鐘頻率,避免頻率浪費(fèi)，同時(shí)提高系統(tǒng)速度，也方便進(jìn)行時(shí)鐘門控。
•編碼優(yōu)化：SoC內(nèi)部的總線的電容在對(duì)于整個(gè)芯片還是占有很大比重，所以降低不同數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)換時(shí)的總線平均翻轉(zhuǎn)次數(shù)，就可以降低設(shè)計(jì)的功耗，這也是各種那個(gè)編碼優(yōu)化所要達(dá)到的目的。常用的編碼方式有獨(dú)熱碼(One-Hot)、格雷碼，還有一些更加復(fù)雜的低功耗編碼，如窄總線編碼、部分總線反轉(zhuǎn)編碼和自適應(yīng)編碼等。使用編碼優(yōu)化來降低芯片功耗的同時(shí)要注意由它帶來的面積增加的問題。
•多電壓域多電源（Multi-Voltage/Multi-Supply）：需要高性能的部件供給高電壓，不需要高性能的部件供給低電壓）。
•系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮優(yōu)化，如減少電路開關(guān)，用RAM代替寄存器文件，減少存儲(chǔ)器讀寫。
除了上述這些方法，高效的低功耗技術(shù)還有許多，比如襯底反偏（加反向電壓降低襯底漏電），多閾值單元（Multi-Vth cell）等等設(shè)計(jì)方法。下圖是一些比較熱門的RTL級(jí)低功耗技術(shù)。
此外，對(duì)于CPU而言，PPA（性能、功耗和面積）也總是在互相權(quán)衡的。通過增加CPU內(nèi)核數(shù)和采用ARM的big.LITTLE架構(gòu)等，也是近年來常用的低功耗設(shè)計(jì)方法。
先進(jìn)的低功耗制造工藝
芯片的制造工藝在不斷向前發(fā)展。一個(gè)常識(shí)是，工藝越先進(jìn)（納米數(shù)越低），功耗和性能都會(huì)提升。但是其原因又是為何？此外，F(xiàn)inFET工藝又是什么，為什么會(huì)更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二者的提升？這要從晶體管說起了：
這里，我們盡量把事情說簡(jiǎn)單。上面這副示意圖中就是一個(gè)典型的半導(dǎo)體晶體管。其中兩個(gè)綠色的部分（源極Source和漏極Drain）分別是晶體管的兩級(jí)，類似電池的兩級(jí)。紅色的部分就是用來控制這兩個(gè)電極的通斷的，而通斷分別對(duì)應(yīng)數(shù)字化時(shí)間的1和0。所謂數(shù)字化世界其實(shí)也就是非常非常多的晶體管的通斷變化組合出來的。紅色柵極（Gate）的寬度就是我們通常所說的溝槽寬度或者線寬——我們通常說的多少多少nm就是指的這個(gè)寬度。
這個(gè)柵極的寬窄決定了性能和功耗。晶體管的開關(guān)速度（每次0/1變化）對(duì)應(yīng)處理器的運(yùn)算速度。紅色的柵極越寬，兩個(gè)綠色電極就越遠(yuǎn)，導(dǎo)致它們直接連通一次的時(shí)間就越長(zhǎng)。所以柵極越小，晶體管一次狀態(tài)變化所需的時(shí)間就越短，單位時(shí)間的工作次數(shù)就越多。這樣一堆晶體管單位時(shí)間可做的運(yùn)算自然就更多，所以性能更好。
再來看功耗。柵極是通過加電壓幫助兩個(gè)綠色電極通電的。而柵極越寬，就需要更高的電壓才能導(dǎo)通兩極；柵極越窄，導(dǎo)通就更容易，所需的電壓也就越低。功耗的大小與電壓的平方成正比，所以導(dǎo)通電壓的下降是新工藝能夠降低功耗的主要因素。還有一個(gè)因素，即便是電壓相同，通過導(dǎo)體的面積和長(zhǎng)度越小，電流也會(huì)越小。更小的柵極等于是縮小的導(dǎo)體，因此也會(huì)減少功耗。
那么，F(xiàn)inFET又是什么？
如前面所說，柵極越窄，即納米數(shù)越低，功耗和性能都有明顯收益。但是凡事都有兩面，有收益就會(huì)有代價(jià)。上圖左圖（即前面那張圖的結(jié)構(gòu)）中的紅色柵極越窄，則柵極接觸下面的面積就越小。前面說了，綠色源漏（SD）兩極的通斷是靠柵極通電壓控制的，但是面積越小這個(gè)柵極的控制力越弱，這就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)兩極之間的漏電越來越大。這個(gè)問題在20nm時(shí)達(dá)到了一個(gè)很大的值，對(duì)功耗影響很大。所以早在10年前，就有人提出了右圖中的3D晶體管的新結(jié)構(gòu)。由于這個(gè)結(jié)構(gòu)看上去像張開的魚鰭，所以被叫做FinFET技術(shù)。FinFET技術(shù)最主要的好處是紅色的柵極變成三面環(huán)繞綠色SD兩極之間的通道了，這樣?xùn)艠O就又重新具備了對(duì)這個(gè)通道的強(qiáng)力控制力，原先通過減小柵極寬度的方法就可以繼續(xù)了。有人可能會(huì)有疑問，十年前就提出為什么現(xiàn)在才用，其實(shí)概念到實(shí)施不是那么容易的。大家腦補(bǔ)一下這個(gè)結(jié)構(gòu)是在20nm的范圍里做的，導(dǎo)致工藝要多出十幾二十層來，這不僅是難度，也是成本。
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