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关于集成电路功耗的研究

随着技术的进步，数字集成电路以指数幂的级数飞速发展，集成电路系统的

复杂度、集成度随之进一步提高，尤其是便携及移动设备的广泛应用，功耗已经

成为集成电路日趋重要的问题。功耗分析、优化及低功耗系统设计在集成电路的

设计、工艺制造等层次发挥重要作用。

一直以来，在设计超大规模集成电路时，人们对芯片的性能、成本和可靠性

往往更加关注，对于电路的功耗却不大在意，最典型的产品就是Intel的P4处理器。

以往的集成电路设计过程中，集成电路集成度不高，功耗还没有不是突出问题。

随着集成电路集成度的提高，尤其是互补金属氧化物半导体电路发展到深亚微米

工艺和纳米工艺之后，功耗加剧增加（尤其是静态功耗，它已成为能与动态功耗

相较的电路功耗的重要组成部分），导致封装、散热、信号完整性分析等一系列

问题的出现。随着CMOS工艺水平的提高，使得MOS器件的沟道长度相应变小，

这就要求芯片设计时采用更低的电源电压。芯片集成度和工作时钟频率的提高，

直接导致芯片功耗的增加。功耗增加使芯片面临着高温工作的危险，降低芯片乃

至系统的工作稳定性。为了提高工作稳定性，需要采用更加复杂的芯片封装技术

和冷却技术，从而增加了整个系统的成本。所以在目前技术条件下，功耗问题已

经是当前电路设计中需要着重考虑的地方。

首先，我们需要对集成电路的功耗来源和组成进行分析。而对功耗的分析，

都是从功耗来源入手，这主要是建立在CMOS电路基础上。根据工作状态的不同，

CMOS电路的功耗可分为两大部分：动态功耗（包括开关功耗、短路功耗）、静

态功耗（也称漏电功耗）。因此，CMOS电路的功耗为开关功耗、短路功耗和漏

电功耗三者之和，亦即P=P+P+P。

totalswitchshortleak

开关功（P）：也称为跳变功耗，指电路在开关过程中对每个门的输出

switch

端形成的负载电容充放电所消耗的功耗。计算公式为：P=ACfV2，其中，

switchckdd

A表示跳变因子系数，C表示节点的负载电容，f表示时钟频率，V表示电源供

ckdd

电电压。可以看出开关功耗P与电路的跳变因子、负载电容、时钟频率、供

switch

电电压的平方成正比关系，因此减少开关功耗可从减小跳变因子、降低器件工作

电压、降低器件负载电容、降低工作频率等几个方面入手。

图1开关功耗

短路功耗（P）：也称为直通功耗，由于输入电压波形并不是理想的阶跃

short

输入信号，而是以正弦波的形式。输入波形在上升与下降转换的短暂时间过程中，

某个电压输入范围内，NMOS和PMOS都导通，这时就会出现电源到地的直流导

通电流，即引起开关过程中的短路功耗。计算公式为：

=τA=τAβ(V3

PV-V)，其中，I表示短路电流，τ表示电平信号从开始

shortshortddddthshort

上升或开始下降，直到稳定所需时间，β是工艺参数，V表示供电的电源电压，

dd

V表示器件阈值电压，因此减少开关功耗可从降低器件阈值电压、改善电路工

th

艺等方面入手。

图2短路功耗

静态功耗：对于常规CMOS电路，在稳态时不存在直流导通电流，理想情况

下静态功