本文要點

超大規(guī)模集成電路 (Very large scale integration，VLSI) 是一種主流的集成電路 (IC) 設(shè)計模式。

芯片尺寸微型化有助于降低單個晶體管的功耗，但同時也提高了功率密度。

先進封裝的低功耗設(shè)計趨勢勢頭未減，而更新的技術(shù)有助于在不犧牲計算性能的情況下降低器件的功耗。

如今的集成電路 (IC) 與二十多年前的集成電路有著天壤之別。新一代的芯片面積更小，但集成了盡可能多的功能，采用了先進的處理節(jié)點和獨特的架構(gòu)，以實現(xiàn)整個芯片的高能效信號傳輸。摩爾定律所涉及的不僅是晶體管柵極尺寸變小，也涵蓋了低功耗架構(gòu)。

隨著電子產(chǎn)品的尺寸不斷微型化，芯片設(shè)計人員需要考慮采用新的方法來實現(xiàn)和擴展低功耗設(shè)計技術(shù)。用于數(shù)據(jù)中心、人工智能、視覺和許多其他應用的處理器性能強大，集成的功能也越來越多，因此預計 VLSI 設(shè)計的功率密度也會增加。低功耗設(shè)計技術(shù)和新技術(shù)可以應對總功耗增加的挑戰(zhàn)，確保新產(chǎn)品性能可靠，并支持擴展到更小的技術(shù)節(jié)點。

即使采用了低功耗設(shè)計工藝，GPU 仍會嚴重發(fā)熱

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功耗的主要方面

許多先進集成電路（如專用 SoC 和通用處理器）中使用了較新的芯片架構(gòu)，需要在裸片上集成更多的功能，因此需要增加硬件驅(qū)動的電源管理功能。實施低功耗設(shè)計技術(shù)的目標主要是延長電池壽命（移動設(shè)備）、減少發(fā)熱（所有其他設(shè)備）或兩者兼顧（智能手機和其他移動設(shè)備）。VLSI 設(shè)計中的低功耗設(shè)計技術(shù)一般在兩個方面進行功耗優(yōu)化：

1.動態(tài)功耗

動態(tài)功耗是指工作過程中消耗的電量。更具體地說，動態(tài)功耗是在邏輯電路切換狀態(tài)時，晶體管結(jié)構(gòu)中電容充放電時消耗的總電量。CMOS 邏輯電路只在開關(guān)時消耗電量，因此減少開關(guān)事件的次數(shù)和導通電壓有助于降低設(shè)備的總功耗。

2.靜態(tài)功耗

靜態(tài)功耗是工作電壓和漏電流的乘積。即使晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，也會有一些電流通過柵極泄漏，以熱量的形式散失。與早期的雙極設(shè)計相比，CMOS 芯片架構(gòu)的漏電流更低，但規(guī)模擴展給保持低漏電流帶來了挑戰(zhàn)。

下圖展示了集成電路在運行和睡眠/待機模式下產(chǎn)生功耗的一些區(qū)域和工作模式：

VLSI 電能耗散和損耗的來源

降低以上功耗主要針對靜態(tài)和動態(tài)功耗，但隨著器件規(guī)模的擴大，還需要調(diào)整晶體管和互連的結(jié)構(gòu)。我們在這方面取得了一些進展，其中最主要的是使用具有高介電常數(shù) (high-k) 的 FinFET，以確保在開關(guān)過程中更完整地調(diào)制到導通狀態(tài)，并通過單一解決方案降低漏電流。對于更新的技術(shù)，需要利用類似的創(chuàng)新晶體管架構(gòu)和新材料來實現(xiàn)進一步擴展。除了簡單的架構(gòu)擴展外，一些晶片上硬件方法也可用于降低功耗。

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主要的低功耗設(shè)計技術(shù)

經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，出現(xiàn)了一些解決方案。最初，擴展帶來了更低的功耗和更高的功能密度，但最終，時鐘擴展增加了功率密度，因此亟需新的技術(shù)。如今，集成電路中使用的低功耗設(shè)計技術(shù)主要包括：

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動態(tài)電壓縮放

邏輯電平的電壓可根據(jù)需要升高或降低，以控制功耗。降低邏輯電平可降低開關(guān)時的功耗。

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動態(tài)頻率縮放

系統(tǒng)時鐘的時鐘頻率和邊沿速率可根據(jù)需要上下調(diào)節(jié)。

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時鐘門控

用于切斷某些邏輯塊的系統(tǒng)時鐘，防止不處理數(shù)據(jù)的邏輯電路進行開關(guān)操作。

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基板偏置控制

與電壓縮放配合使用，控制構(gòu)成邏輯電路的 MOSFET 進入線性區(qū)或飽和區(qū)的閾值。該技術(shù)有時也稱為反向偏置，即在 CMOS 緩沖器的基板區(qū)域施加電壓，以提高或降低邏輯狀態(tài)閾值電壓并減少漏電流。

應用這些主動縮放機制時，并不一定需要修改邏輯電路中晶體管的結(jié)構(gòu)，不過為此確實需要添加額外的控制電路，以便根據(jù)某些邏輯條件進行縮放。

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新產(chǎn)品可能需要采用獨特的架構(gòu)

以上列出的低功耗設(shè)計技術(shù)是設(shè)計新型專用集成電路 (ASIC) 的起點，面向人工智能、量子、視覺/圖形和異構(gòu)集成系統(tǒng)等高級應用。對于支持上述應用的通用處理器，也應繼續(xù)使用同樣的技術(shù)。然而，特定應用領(lǐng)域的計算工作負載更高，因此功耗更低的高度專業(yè)化處理器架構(gòu)更加受到青睞。這方面的例子包括：

以最少的邏輯運算執(zhí)行高效張量運算的 AI 優(yōu)化芯片。

可針對特定的高計算工作量對其邏輯塊進行高度定制或并行化的 FPGA。

包含專用 DSP 塊的語音和視覺處理器。

異構(gòu)集成是將這些功能整合到單一封裝中的一種設(shè)計模式，迫使半導體電源管理工程師采用系統(tǒng)級方法進行低功耗設(shè)計。

尤其是，人工智能是當下的計算范式，它推動了一類新型低功耗 ASIC 的高效張量運算。為了讓這些先進產(chǎn)品實現(xiàn)低功耗，涉及到的挑戰(zhàn)之一是完全重新設(shè)計晶體管架構(gòu)，以減少執(zhí)行人工智能工作負載所需的開關(guān)事件數(shù)量和邏輯狀態(tài)變化。最新的設(shè)計采用單晶體管模擬計算方法來實現(xiàn)片上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完全不需要邏輯塊來運行這些計算。其他先進技術(shù)、材料平臺和混合信號設(shè)計方法可在專用集成電路和通用處理器中實現(xiàn)，因而可以隨著功能密度的提高，繼續(xù)推動低功耗計算。

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