6.2 Verilog 系统级低功耗设计

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2023-03-14

编写代码前，在系统与架构层次上制定完善低功耗方案，可以节省 50% 以上的功耗。此类低功耗设计和代码描述基本没有关系，往往由系统和架构人员进行设计。此类人员需要较丰富的硬件经验，能对系统有一个良好的整体把握。方案制定后，再交予功能设计人员（例如 IC 前端设计、FPGA 工程师等）实现。

一般来说，电压越低，功耗越低，但是性能往往会越差。综合功耗与性能的考虑，可以对不同的模块采用不同的电压设计。

多电压技术主要有 3 种：

一般来说，供电电压越大，电路延迟越小，性能越高。例如，芯片的处理器核、存储器一般需要较高的性能，所以可以采用较高的电压方案。其他外部设计，可以采用较小的电压方案，来降低功耗。

一般来说，频率越高，性能越好，但功耗越大。通过合理的时钟分配，也能有效的降低功耗，一般有以下几种方法：

1、通过时钟分频，各模块采用合理的工作时钟

一般 CPU 总线需要较高的时钟来满足较高的设计需求，而 uart，spi 等外设工作频率不会很高。如果设计中一视同仁都采用较高的工作频率，显然会增加无端的功耗。

将高速时钟进行一定的分频，分别赋予不同的模块。在满足工作性能的条件下看，采用较低的工作时钟频率，可以有效减少功耗。

2、加入多种低功耗工作模式

设计中加入多种低功耗时钟分配方案，人为的来选择一种工作模式，可以降低功耗。各种低功耗模式设计可以参考如下：

3、自适应选择工作频率

和多电压技术的电压自适应调整类似，根据当前的工作状态来选择合适的工作频率，也可以降低功耗。

例如电脑在处理一些简单的文档时，可以选择相对较低的工作频率；而电脑在处理一些视频渲染工作时，则需要相对较高的工作频率。

工作频率和电压的动态调整，往往是低功耗设计中同时需要的策略。

系统中的功耗都是硬件单元消耗的。在设计过程中，系统的功能可以用硬件实现，也可以使用软件实现。

系统设计者根据设计规范和自身经验对系统性能进行推测（仿真建模），决定哪一部分使用硬件来实现，哪一部分使用软件来实现，从而达到性能和功耗的最佳平衡。例如一些参数的计算，软件计算完成后直接输入给硬件，是比较合理的设计。

总之，软硬件划分可以很大程度上降低功耗，这是系统设计者需要慎重考虑的。

现在很多设计也依赖于 IP 的集成。选择 IP 时，在满足工作性能的条件下，也需要合理的选择功耗相对较低的 IP 。

设计中使用到的标准单元库，虽然实现的逻辑功能相同，但也会因为工艺库的不同具有不同的电压阈值。

LVT（Low Voltage Threshold），阈值电压低，饱和电流小，所以此类单元库具有更高的速度和更大的泄漏电流。

HVT（High Voltage Threshold）单元漏电流小，但速度较慢。

SVT/RVT(Standard/Regular Voltage Threshold) 的性能介于 LVT 与 HVT 之间。

所以选用标准单元库的时候，需要综合速度和功耗两个方面来考虑。

例如，可以在关键路径使用 LVT 单元，在非关键路径使用 HVT 单元。

还有一些其他可以减少功耗的系统方法，如下一些举例：