[发明专利]一种采用分布式监测电路降低芯片功耗的方法

说明书

本发明公开了一种采用分布式监测电路降低芯片功耗的方法，一、将芯片按照功能模块划分为多个电压区域，每个电压区域设置多个监测电路；二、对各个监测电路根据各自的功能设置电压阈值，若所监测的电压大于等于自身的电压阈值，则输出1，否则，输出为0；三、对任一电压区域内电压的调节策略：i.当电压区域内所有监测电路的输出均为1时，则降低工作电压；ii.当电压区域内仅有1个监测电路输出为0时，则保持现有电压；iii.当电压区域内有大于1个监测电路输出为0时，则提高工作电压，直到该电压区域内所有监测电路均输出为1，本发明能够获得每个电压区域内详细、准确的电路工作状态，实时调整每个电压区域的电压。

技术领域

本发明属于系统芯片的技术领域，具体涉及一种采用分布式监测电路降低芯片功耗的方法。

背景技术

随着芯片应用场景的复杂化，各种应用对芯片提出的要求越来越高，为了实现更多复杂的功能，芯片的面积逐步增大，单芯片上晶体管数目越来越多。而随着半导体工艺技术的发展，单颗芯片能够容纳的CMOS管的数目也基本遵从摩尔定律增长。目前，复杂芯片中晶体管的数目已经接近100亿个，数字芯片普遍采用CMOS工艺制造。半导体CMOS电路的功耗来源主要有三种：(1)开关功耗：电路翻转时对负载电容充电的功耗；(2)短路功耗：是指PMOS管和NMOS管同时导通产生的功耗；(3)静态功耗：晶体管在没有任何活动时，泄露电流所消耗的功耗。

CMOS电路的开关功耗，用公式描述可写为：

其中，C_L为电路总负载电容；V_dd为工作电压；P_trans为工作电路输出转换的概率，f_clock为工作时钟频率；

短路功耗为输入翻转时，PMOS和NMOS同时打开的瞬间电流形成的功耗。用公式描述可写为：

P_short＝T_SC*V_dd*I_peak*f_clock

其中，T_SC为短路电流的持续时间，I_peak为短路电流。

通常，开关功耗和短路功耗二者又合称为动态功耗。从以上2个公式可以发现，开关功耗和短路功耗都与工作电压有直接关系。尤其是开关功耗与工作电压成平方关系，降低电压对于降低功耗的效果将会十分明显。

举例而言，如果工作电压为1V，对应开关功耗为10W，那么当电压下降10％，即工作电压为0.9V时，对应的开关功耗为8.1W，下降了19％。

基于此原理，现有降低功耗的主要技术包括：

多电压域技术：最基本的形式就是将芯片划分为不同电压域，高性能的部分在高电压域，低性能要求的部分就分配在低电压域。举例来说，一个SOC芯片中，MCU应该工作在尽可能高的时钟，则它的电压应该是最高电压；而外设中的USB模块，有协议定义的固定速率，则只要分配给能满足要求的工作电压即可；一些平时不工作的模块甚至可以将电压关断，也就可使功耗趋于0。这样一个芯片中，就会划分为各种不同的电压域。但是，大部分的芯片并处于最差工艺条件，导致这种方法采用的工作电压比实际所需电压偏高，带来功耗的浪费。

动态电压调整技术：不采用固定的工作频率，而是采用负载的大小，动态实时调整工作电压的大小。当工作负载较小时，可以降低工作电压；当工作负载较大时，可以提升工作电压。但是，与多电压域技术的缺陷类似。不管是采用软件，或是硬件调整方法，其出发点都是针对最差工艺条件的，调整的精度与有效性(时间长短)不会那么精准，同样会带来功耗的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种采用分布式监测电路降低芯片功耗的方法，能够获得每个电压区域内详细、准确的电路工作状态，实时调整每个电压区域的电压。