關于CMOS數(shù)字電路低功耗的層次化設計分析

王勇

【摘 要】隨著科學技術的不斷進步，芯片上已經(jīng)可以集成非常多的管子，同時電路規(guī)模也在不斷擴大，工作效率也在不斷提升當中。這樣就會促使芯片在實際應用過程中的功耗不斷增長，在這種背景下，低能耗已經(jīng)逐漸成為電路在設計過程中的要點。本文針對COMS數(shù)字電路低功耗的層次化設計進行分析，為電路功耗的降低提供有效保障。

【關鍵詞】CMOS數(shù)字電路；低功耗；層次化設計

在當前科學技術不斷進步和快速發(fā)展的背景下，有很多領域的發(fā)展勢頭都比較良好。在這種大環(huán)境背景下，電路規(guī)模越來越大，同時計算機網(wǎng)絡技術、無線傳感網(wǎng)絡的不斷推廣和利用，促使電路在實際應用過程中，對其提出了更高的要求。電路在實際應用過程中，要逐漸朝著低功耗方向發(fā)展，這也是現(xiàn)階段電路在設計過程中的新趨勢。在具體設計過程中，由于各種不同類型的抽象層次，對電路的功耗會產生不同程度的影響，所以在這種背景下，可以將層次化的設計方法科學合理的應用其中，這樣有利于針對電路低功耗提出有針對性的措施。

1 CMOS數(shù)字電路低功耗

1.1漏電流功耗

在數(shù)字電路的實際應用過程中，其本身在熱載流子方面，會受到客觀因素的影響，導致其出現(xiàn)漏電流的問題。導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的根本原因是由于其通過反偏二極管的用，從漏級直接流入到襯底的位置上，在整個過程中，會涉及到PMOS反偏電流等。

1.2短路功耗

在CMOS數(shù)字電路的實際應用過程中，由于其整個規(guī)模不斷擴大，導致其在實際應用過程中，在很多方面都會受到影響，特別是短路功耗的出現(xiàn)，將會直接導致ZMOS的功耗無法得到有效的降低[1]。短路功耗一般是指在具體輸入切換的時候，會出現(xiàn)PMOS、NMOS兩者的同時導通，這樣就會在實踐中逐漸形成直流短路通路，進而引發(fā)嚴重的功耗問題。

2 CMOS數(shù)字電路低功耗的層次化設計

2.1工藝層次

在針對CMOS數(shù)字電路低功耗進行層次化設計的時候，要結合實際情況，從多個不同角度和環(huán)節(jié)出發(fā)，這樣不僅有利于保證層次化設計的作用充分發(fā)揮出來，而且還能夠實現(xiàn)對數(shù)字電路低功耗的有效控制。在具體操作過程中，可以從工藝的角度出發(fā)對其進行分析，由于考慮到低功耗技術的種類比較多，所以在選擇的時候，可以結合實際，這樣不僅有利于促使閾值的電壓可以得到有效控制，而且還能夠通過與其他特殊工藝的有效結合，保證實現(xiàn)工藝層次的低功耗控制。與實際情況進行結合之后，發(fā)現(xiàn)減少電源電壓可以實現(xiàn)電路功耗的有效控制。但是需要注意的一點就是，在具體操作過程中，如果閾值電壓處于不變的狀態(tài)下，那么電路的整個速度就會受到影響[2]。所以在這種背景下，要結合實際情況，盡可能減少閾值電壓，但是并不是閾值電壓越小越好，一般要將其控制在0.3V至0.1V之間就可以。

與此同時，在具體操作過程中，還要利用一些先進的工藝手段，這樣做的根本目的是為了從中獲取到比較小的管子尺寸。通過對這種類型管子尺寸的合理利用，不僅有利于促使快管電容可以得到有效減少，而且即使電源電壓是處于不變的狀態(tài)下，那么電路的整體功耗也可以得到有效的控制和降低。除此之外，還要與實際情況進行結合，通過對金屬疊層布線的合理利用，這樣可以從根本上促使芯片在實際應用過程中的面積得到縮減，而且還能夠盡可能避免會使用到一些大范圍的芯片連接。通過這種方式，不僅能夠從根本上促使開關電容的數(shù)量可以得到有效減少，而且還有利于實現(xiàn)對電路功耗的有效控制。

2.2版圖層次

在針對CMOS數(shù)字電路低功耗進行層次化設計的時候，可以從版圖層次的角度出發(fā)，這樣有利于保證其設計的有效性和針對性。版圖設計在具體應用過程中，要結合實際情況，盡可能避免利用最小面積來容納所有電路模塊，這種目標已經(jīng)不再適應于當前的實際情況。在這種背景下，要結合實際情況，對開關在頻繁使用過程中的路徑進行最短化的處理，與此同時，可以將開關活動作為主體，這樣不僅有利于實現(xiàn)對布局的驅動，而且還可以在其中節(jié)約8%左右的功耗。通過對實際情況進行調查分析和研究，發(fā)現(xiàn)時鐘樹一般可以被看作是數(shù)字電路在日常運作過程中，在其中最大的負載網(wǎng)絡[3]。通常比較良好的時鐘樹可以直接結合實際情況，生成相對應的算法，這樣有利于盡可能避免時鐘出現(xiàn)歪斜等問題，同時還能夠避免其在實際應用過程中出現(xiàn)偏差或者是抖動等問題?，F(xiàn)階段在具體操作過程中，使用比較廣泛的時鐘樹就是H網(wǎng)絡。

2.3電路層次

從電路層次的角度出發(fā)，對低功耗進行設計的時候，其主要目的是為了實現(xiàn)對動態(tài)功耗的有效控制。在具體實施過程中，會涉及到很多方面的內容，比如電源電壓等。由于開關在實際應用過程中所呈現(xiàn)出的功耗與電源電壓之間的關系是二次方關系。所以在這種背景下，可以結合實際情況，通過對電源電壓的減少，來實現(xiàn)對功耗的有效降低，這是一種最直接、同時也是最有效的方式。與此同時，如果是在閾值電壓處于穩(wěn)定不變的狀態(tài)下，在針對各種不同類型電路模塊進行具體供電的時候，會使用到符合實際要求的電源電壓。這樣可以結合實際，盡可能選擇利用一些低的電源電壓，這樣有利于實現(xiàn)對功耗的節(jié)約和控制。

3結束語

CMOS數(shù)字電路在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，必須要意識到低功耗設計的重要性，并且將其看作是自己未來的主要發(fā)展趨勢。與此同時，通過對各種不同類型的層次化設計的合理利用，可以與低功耗技術進行有效結合。同時，在層次化設計過程中，可以從工藝、版圖、以及電路這些角度出發(fā)，這樣不僅有利于提出有針對性的設計方法，而且還能夠保證CMOS數(shù)字電路在實際應用過程中的功耗可以得到有效控制。

參考文獻：

[1]喬霖，李永紅，岳鳳英.基于ARINC 818機載航圖單元視頻輔助傳輸方案設計[J].電光與控制，2019，26（02）：93-96.

[2]魏東，王曉華.基于產品導向的邏輯綜合設計策略分析與研究[J].中國集成電路，2018，27（11）：35-40.

[3]高華，李輝.14 nm工藝下基于CUPF的數(shù)字IC低功耗物理設計[J].電子技術應用，2017，43（09）：25-29.

（作者單位：天津國芯科技有限公司）