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半导体开放世界

CMOS 功耗与能量预算

CMOS Power Dissipation and Energy Budget

按任务、节点活动和供电状态建立可核对的功率与能量预算，而不是把单门公式当成整芯片结果。

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速览

约 1 分钟

单门充放电与漏电原理复用反相器节点；这里进一步追踪多个节点、工作负载、电源域、测量窗口以及性能目标如何共同决定预算。

系统理解

约 2 分钟

芯片的开关功耗由各节点电容、实际充电活动及各自电压和事件速率加权形成，还需计入短路与静态部分。活动不等于逻辑值为1的概率，工作负载和毛刺会改变测量结果。比较低功耗方案时必须给出完成的工作量、时间和供电状态；较小的瞬时功率不自动意味着完成任务消耗更少能量。

复用CMOS反相器的充放电、短路和漏电基础，进入多节点任务预算，再连接门控与供电网络。

关键参数

关键参数
参数单位含义
计量边界与时间窗—先确定电源入口、被统计电路与任务完成条件
等效活动电容F各节点活动与电容的加权和
模式功率与驻留时间W、s用于能量累计与平均功率
延迟与能量目标s、J区分性能约束、总能量与EDP

常见误区

  • 一个0或1的静态概率就等于充电活动因子。
  • 只报告瓦数即可比较不同耗时的任务。
  • 把每一层电源输入与下游功耗相加不会重复计算。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

预算对象与活动

定义

功耗预算先固定电源入口与计算边界

整块电路的预算需要先明确从哪个供电端计量、包含哪些负载以及采用何种任务窗口。若已统计上游电源输入，就不能再把它供给的同一批下游耗能作为额外输入重复累加。12

成立条件 电能守恒用于选定边界；电源转换损耗按是否位于边界内另计。；本页区分开关、短路与静态贡献，不将三者混成同一电容项。

机制

等效活动电容是加权预算量而不是新增的实体电容

多个节点的开关贡献由各自活动因子乘电容后求和。大量但很少动作的节点与少量高活动节点可有不同贡献，因此不能只按晶体管数量或总几何电容估算任务功耗。12

成立条件 节点电容和活动使用相同工作模式与事件口径。；同一电荷转移不能在多个等效节点中重复计数。

公式

活动因子应按声明的参考周期统计充电事件

采用每参考周期0到1事件数的口径时，活动因子等于统计窗口内充电事件数除以周期数。它不是信号为1的驻留比例，也不能直接与按所有边沿计数的另一种活动率混用。12

αi=N01,iNcycle\alpha_i=\frac{N_{01,i}}{N_{\mathrm{cycle}}}
αi = N01,i/Ncycle
αi
节点i按充电事件口径的活动因子，单位 1
N01,i
统计窗内节点i的0到1事件数，单位 1
Ncycle
相同统计窗内参考周期数，单位 1

成立条件 Ncycle为正，计数覆盖相同时间窗。；若每周期有毛刺，充电事件可不止一次；本页不限定α必须小于1。

边界

节点相关性和毛刺使静态概率不足以决定功耗

逻辑输入之间的相关性和路径到达差会改变内部翻转。即使最后稳定结果相同，过渡过程中的额外充放电仍可能消耗能量；不能仅凭真值表输出概率代替实际时序活动。12

成立条件 先区分零延迟逻辑活动与带延迟的波形活动。；不把某种独立随机输入假设推广到所有真实任务。

边界

活动文件必须对应正在比较的工作负载

视频处理、待机或不同数据模式会改变节点活动，因而改变同一网表的估计功耗。比较方案时应保持任务、时间窗和活动覆盖口径一致，缺少活动的节点不能默认与已测节点相同。12

成立条件 使用有代表性的输入与工作模式。；本条不给出某类任务的通用活动因子数值。

多节点与多模式

公式

多电压域应分别使用自身电压与事件速率累加

在共同参考频率的一个电源域内，可先累加各节点活动电容再乘电压平方与频率；不同域则分别求开关功率后相加。用一个全芯片电压或平均活动率替代所有域，可能掩盖主要耗能位置。1

Ceff=∑iαiCi,Psw=CeffVDD2fC_{\mathrm{eff}}=\sum_i\alpha_i C_i,\qquad P_{\mathrm{sw}}=C_{\mathrm{eff}}V_{\mathrm{DD}}^2f
Ceff = Σi αiCi，Psw = Ceff VDD² f
Ceff
同域按充电活动加权的等效电容，单位 F
αi
节点i的充电活动因子，单位 1
Ci
节点i不重复计量的等效负载电容，单位 F
Psw
所选电源域的电容开关功率，单位 W
VDD
该域供电电压，单位 V
f
定义αi时采用的参考周期频率，单位 Hz

成立条件 只计算所声明模型中的电容开关功率，短路和静态另计。；同域节点采用该域同一参考周期；跨域分开计算。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设：同一1.00V、200MHz域内，两组不重叠节点等效负载分别40.0pF、60.0pF，充电活动分别0.100、0.250，估算开关功率。

已知

  1. C1=40.0×10⁻¹²F、C2=60.0×10⁻¹²F。
  2. α1=0.100、α2=0.250；VDD=1.00V，f=2.00×10⁸Hz。
  3. 忽略短路、漏电和电源转换损耗；活动为教学假设。

步骤

  1. α1C1 = 0.100×40.0 = 4.00 pF，先算第一组的加权电容。
  2. α2C2 = 0.250×60.0 = 15.0 pF，第二组独立计量。
  3. Ceff = 4.00+15.0 = 19.0 pF，只对不重叠节点求和。
  4. Psw = 19.0×10⁻¹²×1.00²×2.00×10⁸ = 3.80×10⁻³ W = 3.80 mW，F·V²·Hz=W。
结果 同域电容开关功率约3.80 mW。

电容更多但活动更低的节点不必贡献更多功耗，须按节点活动加权。

不能外推到 不是整芯片总功耗或实测指标；不包含短路、漏电、网格与稳压器损耗。

公式

任务能量应计入驻留模式和切换开销

对分段近似恒定的模式，任务能量可由每段平均功率乘持续时间再加模式切换能量得到。平均功率还需除以同一完整时间窗；忽略唤醒或保存开销可能高估休眠收益。12

Etask=∑kPktk+Etrans,Pavg=EtaskTE_{\mathrm{task}}=\sum_k P_k t_k+E_{\mathrm{trans}},\qquad P_{\mathrm{avg}}=\frac{E_{\mathrm{task}}}{T}
Etask = Σk Pktk + Etrans，Pavg = Etask/T
Etask
完整任务与切换的电源输入能量，单位 J
Pk
模式k的平均功率，单位 W
tk
模式k的驻留时间，单位 s
Etrans
尚未包含在驻留功率中的切换能量，单位 J
T
相同计量边界的完整任务时间窗，单位 s
Pavg
完整窗口内平均功率，单位 W

成立条件 模式功率不含另行相加的切换开销，避免重复计量。；每个能量项使用相同供电边界。

边界

固定电压下降频不保证固定任务的开关能量下降

若同一任务需相同的参考周期数且每周期活动不变，降低频率可降低开关功率，却会延长运行时间；理想开关能量中的频率因子会与时间相抵。漏电能量或任务并行性变化还会改变最终结果。12

成立条件 限定相同电压、周期数、活动及负载。；不用于动态电压调整或工作量随频率变化的场景。

边界与优化目标

边界

短路占比不能统一固定成某个百分数

教材的某个短路占比是特定电路与波形下的近似。输入斜率、负载、尺寸和电压不同会改变该占比，因此不能给所有单元的开关功率统一加一个常数百分比后当作精确总动态功率。12

成立条件 复用反相器节点已解释的上下拉竞争机理。；对具体设计以相应工作点的模型或波形积分核验。

机制

静态电流还依赖输入状态而不只是器件总数

在同一工艺和电源下，串联栈的内部电位与各端偏压会随逻辑输入改变，因而关断路径的亚阈值及栅泄漏并非所有状态都相同。静态预算应注明输入状态或状态分布。1

成立条件 讨论给定结构和工作点，不宣布某个输入总是最省电。；不同泄漏机制需分别核验，不用单一比例代替所有状态。

定义

最低功率最低能量和最低EDP是不同设计目标

最低功率可能对应更慢的完成时间；最低任务能量与最低能量延时积也不一定是同一个电压或尺寸。比较方案前先说明性能约束和评价指标，不能把某个示例最优点宣布为通用设计点。12

成立条件 任务工作量与功能等价。；EDP取完整任务能量与对应任务延迟的乘积。

边界

平均功率预算不能证明每个瞬态供电条件合格

在选定时间窗上平均后，相同均值仍可对应不同的瞬时电流波形。功耗报告适合做能量和热预算的输入，但供电压降或恢复必须再使用相应时间尺度的负载与网络模型。12

成立条件 本条仅由平均值丢失时序信息的事实推导，不重复PDN节点的阻抗模型。；未建立电源网络时不从平均瓦数推出电压裕量。

出处

2 本教材 · 22 处引用
  1. 1

    CMOS超大规模集成电路设计（第4版）

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  2. 2

    数字集成电路：电路、系统与设计（第2版）

    Jan M. Rabaey, Anantha Chandrakasan, Borivoje Nikolić

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