5.5 体系结构级降低功耗技术5.5.1 高级门控时钟

同步数字系统中，时钟分布贡献了整个数字开关功率中的绝大部分。很多情况可以通过门控时钟将绝大部分不使用的电路关闭。

插入门控时钟前和插入后电路功能并没有改变，所以可以用一致性检查工具进行验证。

组合门控时钟方案在输出不变时使触发器时钟失效，可以用于降低5%~10%的功耗。时序门控时钟能减少连接到带有门控时钟的寄存器块的设计部分的冗余切换。使用时序门控时钟时，后续的流水线阶段也使用同样的条件进行门控操作。

时序门控时钟在实现时会加入额外的逻辑，所以不适用于多位宽数据。

使用门控时钟最大挑战：识别出流水线上“多余的”或“不关心”的状态。一旦该工作完成，时序门控时钟就可以降低大量功耗，典型情况可以降低15%~25%开关次数。根据文献，时序门控始终转换只有在多于16个触发器的情况下才更有效率。

5.5.2 动态电压频率调整（DVFS）

DVFS可以在对频率不敏感的应用阶段降低时钟速率和供电电压，在性能适度损失的情况下大幅降低功耗。

当今CMOS工艺的绝大多数处理最大频率往往与供电电压相关，所以在低频时处理器可以工作在低供电电压下，所以DVFS可以通过频率和电压调节节省大量能量。

DVS使用一个可编程的DC-DC开关电压调节器，一个可编程的时钟产生器和一个宽操作域的高性能处理器。

总之，通过负载动态调整处理器的电压和频率，DVS能提供峰值满足运算要求的性能，这种方法好处能体现在低性能处理器上。

5.5.3 基于缓存的系统体系结构

FFT要求频繁访问系统存储器的数据，这样的存储器能效不高，增强型FFT体系结构需要在系统存储器或RAM与处理器之间增加缓存。

在处理器需要之前，预先将相关数据从主存中取到缓存。小范围的缓存能使计算能耗大量下降，极大地提高了FFT的能效。

5.5.4 对数FFT体系结构

大规模运算的应用，对数系统（LNS）比线性系统更好。LNS降低每个bit活跃度，并用加减法实现乘除运算，使其效率比线性系统更高。基于LNS实现FFT有节约大量功耗的可能。缺点是加法器和减法器的宽度会增加，导致需要以指数级增大的查找表。（这里没懂，google也没搜到）

5.5.5 异步（无时钟）设计

传统的设计方法学会形成大规模时钟数结构，潜在地增加了SoC的平均功耗。并且时钟分配网络的设计也耗费了设计者大量精力，最可能存在的问题是时钟偏移。另外一个问题就是相当大的功耗。

由于时钟会导致上述问题，所以从设计中移除时钟是一件很有诱惑力的想法。这就是异步设计的基本意图。但是不能简单地直接移除电路，一部电路本质上进行自我控制，因此也称为自定时电路。

异步系统两个模块使用握手接口进行交互，书里5.8的图应该给错了。

移除时钟使得能效提升。时钟耗费了许多能量，将其移除使得能效大大提升。除此之外，因为所有未工作元件几乎部消耗能量，所以异步电路动态功耗接近0.

异步电路依赖于延迟不敏感编码的信号交换接口，其中最流行的是双轨道编码。

双轨道编码用两根线传输每个数据位，因此称为双轨。双轨道编码一根线表示逻辑1，另一根表示逻辑0.两部分能可靠地彼此通信而不受线上延迟的影响。

5.5.6 电源门控

电源门控可以在模块不使用时暂时将其关闭。目的：减少晶体管漏电，可以在逻辑模块不操作时将其关闭。

两类电源门控：细粒度电源门控、粗粒度电源门控。

5.5.6.1 细粒度电源门控

每个门和地之间存在一个开关晶体管。

主要负担：库IP提供者、标准单元设计者身上。

电源门控尺寸必须能满足任何情况下对开关电流的要求。门必须较大以便不会引起可测量的压降。此外对头部开关PMOS和脚部开关NMOS做出选择。开关电流相同时，脚部开关面积更小。

使用细粒度电源门控可以将漏电减少为原来的1/10.

5.5.6.2 粗粒度电源门控

粗粒度电源们空中，电源门控晶体管是供电网络的一部分而不是标准单元的一部分。本质是创建一个电源开关网络。

粗粒度不完全依赖于库的质量，EDA工具对其处理能力影响更大。

电压关闭区域的备用晶体管大小和数量会影响对该区域的驱动能力。这将导致IR降幅变化并使性能衰弱。所有头部开关同时再次打开，会有瞬间充放电电流和短路电流产生。这种电流综合称为上电冲击电流（感觉和浪涌电流差不多）。对于避免器件故障和潜在的芯片失效，这种电流是个关键。

不管实现哪种类型的电源门控，都需要改变RTL，设计一个电源控制器对需要关闭的模块进行控制。百万门规模的AISC很轻易就有20个以上的电源域。这种规模的设计混用粗粒度和细粒度两种技术。

电源门控需要在“关闭”域和“开启”域之间的逻辑或信号上加入隔离的单元以保持设计完整性并避免功耗损耗。模块断电，输出浮动，可能在阈值电压内产生不期望的电流。所以需要隔离模块将下电模块输出信号固定在1或0.可用简单的或、与逻辑作为输出隔离器件。隔离单元要么在RTL插入，要么在指定参数和要插入的模块后由EDA工具自动插入。现在的EDA工具可以做到该功能，一部分综合时插入，其余的在布局布线时插入。

5.5.7 多阈值电压

多单元库包含至少两组功能相同但阈值电压不同的单元。高阈值电压单元较慢但是漏电少；低阈值电压更快但是漏电更多。

缺点：增加生产的复杂性、增加设计时间。设计不恰当的话可能导致使用功耗增加。

测试不同Vt单元是否能达到期望性能时，最好在综合和布局优化阶段进行。逻辑综合或优化过程的门级映射阶段由综合工具实现，布局优化由物理实现工具负责处理。

为满足性能，可以先用低阈值电压库进行综合满足时序要求，在吧不需要的高性能或低阈值单元用高阈值单元替换。原因：大多数应用是以满足时序要求为前提条件的。。低阈值电压库速度快，面积小，高阈值电压单元耗费更多运行时间，面积也更大。

若主要目标是功耗，第一遍综合则使用高阈值电压单元更合适，再用低阈值电压单元进行替换。

5.5.8 多电压供电

设计可以分割成独立的“电压域”，根据每个区域对时序的要求而使用不同的供电电压。

一种方法：时序要求严格的模块置于标准电压下操作。不那么严格的路径可以安排到其他区域。

过去这种方式需要手动插入指定的转换单元在，增加了设计的风险。现在很多EDA公司都能提供可以自动插入电平移位单元的工具。

5.5.9 存储器电源门控

典型SoC中SRAM消耗了总功耗的1/3，其余部分由时钟数和随机逻辑消耗。所以存储器架构十分关键。

最简单的方法：在不使用存储器矩阵时将其关闭。

可以讲存储器分割成多个部分，需要时打开。

划分成小块后，读周期总数仍是相同的，但是每个周期消耗的功耗会大大降低。

另一种技术：基底偏压存储器。在不使用存储体时将其反向偏置，提高了阈值电压降低了漏电功耗。

另一种方法：多模式给存储器供电。全电压供电保证对存储器操作正常进行，不需要读写时，可以编程降低其供电电压，仅保证数据不丢失。

使用堆叠式存储器：存储器堆叠在裸片（Die）上。堆叠式存储器显著降低了互联电容，并且降低了功耗。对存储器带宽要求高的场景中，相关存储器可以堆叠式封装，操作系统或其他应用则可以置于外部存储器中。