德州仪器：最小化芯片级功耗

        随着结构尺寸不断减小以及元件内场强度的不断提高，设计人员通常通过调节工作电压来降低动态功耗。但是，静态功耗的重要性更加突出，会随漏电流呈指数增长。此外，次阈值漏电流还随温度呈指数级增长。

        静态功耗增长正引起人们更多的关注，这是由于静态功耗会影响整个工作芯片与功率密度，而且也会提高热点(hotspots)的风险。无负面影响性能即可解决静态与动态功耗的问题，这就要求在芯片级与系统级提供一定程度的智能与适应性。

        智能适应

        不管器件采用什么类型的晶体管，静态功耗都会受到芯片制造工艺特性的影响。因此，要想解决静态漏电流问题，合适的切入点便是从硅技术本身入手。在加工芯片时，单个晶圆与整批晶圆间的电气特性方面必然会存在细微的差异，这种变化又会遵循一定的密度分布规律，即材料与制造参数的函数。

        通常将这种变化称为制造工艺的“强度”，强度从弱到强不等。这种特性对芯片制造的质量没有影响，它仅描述硅片生产过程中变量的一种方式。

        然而，具体器件对硅工艺缩放的意义在于，它能相对反映出该器件的电气行为和相关功耗特性。在工艺缩放“强”端的半导体器件可实现更高的开关速度，但漏电流也较高。相反，“弱”端的半导体器件可实现的最大开关速度较低，但因漏电流造成的功耗也较低。

        那么设计人员如何从上述现象中获益呢？一种方法是根据芯片的电气特性缩放电压，这种方法可最大限度地提高性能，同时还可最大限度地降低漏电流产生的功耗。可在制造期间测试器件来测量其电气特性。然后通过缩放电压满足芯片的性能与功耗要求。

        例如，一个利用工艺上“强”端硅芯片制成的DSP芯片，可支持要求略高于规定值的开关速度，但漏电流也会略高。如果DSP的电源管理器件能够检测到该器件的特定特性，那么即可在无需影响芯片特定性能的情况下通过降低电源电压降低功耗。相同的逻辑也可应用于“弱”硅片制造的DSP。电源管理器件可提高电压，以确保满足所需的性能级别，同时保证功耗处于特定范围内。研究结果显示，通过调节芯片工艺技术“强”端的器件内心电压，可实现最大限度的节电效果。

        动态电压缩放

        电压缩放还可用于降低动态功耗，即系统工作时的功耗。在此情况下，可根据温度变量来推动内核电压变化。例如，在高温时可降低器件的电压来进一步降低功耗。相反，在低温时可提高器件内核电压加速其性能，同时又确保不会对功耗造成过大影响。实现这种省电功能需要掌握器件相关的热信息。德州仪器(TI)TCI648xDSP就是一个说明此技术实施过程的典型范例（如图3所示）。

       
图3  TCI648xDSP的典型电源互联情况

        TCI648x通过集成的热二极管实现与温度相关的动态电压缩放。该二极管与如TMP411等外部温度传感器共同使用，以感测器件温度，并向内部TCI648x逻辑提供反馈。这样，DSP就可实现静态与动态节电功能。

        TCI648x结合动态热信息和基于芯片工艺技术强或弱的特特定器件嵌入式信息，从而生成一个电压代码。该电压代码可提交给系统的电源管理器件。就TCI648x而言，电源管理器件可通过介于0.9至1.2伏的范围缩放提供给DSP的电源电压，这样，设计人员只需适当注意相关问题，便可最大限度地降低功耗，同时还可充分发挥摩尔定律的优势。