### 数字IC\FPGA低功耗设计
#### 一、芯片功耗的构成
在讨论数字集成电路（Digital IC）及现场可编程门阵列（FPGA）的低功耗设计之前，我们首先需要理解芯片功耗的基本构成。芯片功耗主要分为两大类：动态功耗和静态功耗。
1. **动态功耗**：
- **开关功耗**：当信号通过晶体管时，由于电容充放电而产生的能量损耗。
- **短路功耗**：在逻辑门中，由于晶体管的短暂导通状态导致电流直接从电源到地，从而产生的功耗。
- **浪涌功耗**：电路转换过程中瞬时电流的增加，通常是由于电路状态改变时的暂态过程造成的。
2. **静态功耗**：
- 静态功耗是指电路处于静态状态时的功耗，即电路不进行任何计算或状态变化时的功耗。主要包括漏电流功耗等。
#### 二、低功耗设计策略
为了降低芯片的功耗，可以从多个层次上进行优化设计：
1. **系统与架构级**：
- 在这个级别上，主要是从整体系统的角度考虑如何降低功耗。例如，可以通过改变数据流和控制流来减少不必要的计算，或者利用动态电压和频率调整技术（DVFS）来根据任务需求调节电压和频率。
- **节省70%以上的功耗**：在这个层次上的设计优化通常可以带来显著的节能效果，因为它们针对的是整个系统的运行模式和结构，而非单一的逻辑单元或电路。
2. **RTL级（寄存器传输级）**：
- 在这一层面上，设计人员可以通过选择不同的算法或数据表示方式来减少功耗。此外，还可以采用一些特定的技术来降低功耗，如：
- **Verilog可实现的低功耗设计**：利用Verilog硬件描述语言中的特性来减少功耗。这包括使用条件编译、循环展开等技术来减少不必要的逻辑操作。
- **多阈值电压设计**：利用不同阈值电压的晶体管（HVT/LVT/SVT）来平衡性能和功耗的需求。一般来说，高阈值电压（HVT）晶体管具有较低的功耗但较高的延迟，而低阈值电压（LVT）晶体管则相反。
- **电源门控**：通过关闭未使用的电路区域的电源来降低功耗。
- **减少负载电容**：通过减少信号线的负载电容来降低开关功耗。
3. **门级**：
- 在门级层面，设计人员可以通过优化逻辑门的连接和布局来减少功耗。例如，减少门之间的连线长度可以降低开关功耗；选择合适的逻辑门类型也可以帮助降低功耗。
- 具体来说，可以通过以下几种方法：
- 减少负载电容：通过优化门的输入和输出结构来降低每个门的电容负载。
- 电源门控：在某些情况下，可以考虑将电源门控技术应用到门级设计中，以进一步降低功耗。
- 工艺库的选择：使用具有低功耗特性的工艺库来进行设计。
数字IC和FPGA的低功耗设计是一项多方面的工程，涉及从系统级到门级等多个层次的设计优化。通过综合运用上述策略和技术，可以有效降低芯片的整体功耗，从而提高能效并延长电池寿命。
