关于CMOS数字电路低功耗的层次化设计分析

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　　【摘 要】随着科学技术的不断进步，芯片上已经可以集成非常多的管子，同时电路规模也在不断扩大，工作效率也在不断提升当中。这样就会促使芯片在实际应用过程中的功耗不断增长，在这种背景下，低能耗已经逐渐成为电路在设计过程中的要点。本文针对COMS数字电路低功耗的层次化设计进行分析，为电路功耗的降低提供有效保障。
　　【关键词】CMOS数字电路；低功耗；层次化设计
　　在当前科学技术不断进步和快速发展的背景下，有很多领域的发展势头都比较良好。在这种大环境背景下，电路规模越来越大，同时计算机网络技术、无线传感网络的不断推广和利用，促使电路在实际应用过程中，对其提出了更高的要求。电路在实际应用过程中，要逐渐朝着低功耗方向发展，这也是现阶段电路在设计过程中的新趋势。在具体设计过程中，由于各种不同类型的抽象层次，对电路的功耗会产生不同程度的影响，所以在这种背景下，可以将层次化的设计方法科学合理的应用其中，这样有利于针对电路低功耗提出有针对性的措施。
　　1 CMOS数字电路低功耗
　　1.1漏电流功耗
　　在数字电路的实际应用过程中，其本身在热载流子方面，会受到客观因素的影响，导致其出现漏电流的问题。导致这一现象出现的根本原因是由于其通过反偏二极管的用，从漏级直接流入到衬底的位置上，在整个过程中，会涉及到PMOS反偏电流等。
　　1.2短路功耗
　　在CMOS数字电路的实际应用过程中，由于其整个规模不断扩大，导致其在实际应用过程中，在很多方面都会受到影响，特别是短路功耗的出现，将会直接导致ZMOS的功耗无法得到有效的降低[1]。短路功耗一般是指在具体输入切换的时候，会出现PMOS、NMOS两者的同时导通，这样就会在实践中逐渐形成直流短路通路，进而引发严重的功耗问题。
　　2 CMOS数字电路低功耗的层次化设计
　　2.1工艺层次
　　在针对CMOS数字电路低功耗进行层次化设计的时候，要结合实际情况，从多个不同角度和环节出发，这样不仅有利于保证层次化设计的作用充分发挥出来，而且还能够实现对数字电路低功耗的有效控制。在具体操作过程中，可以从工艺的角度出发对其进行分析，由于考虑到低功耗技术的种类比较多，所以在选择的时候，可以结合实际，这样不仅有利于促使阈值的电压可以得到有效控制，而且还能够通过与其他特殊工艺的有效结合，保证实现工艺层次的低功耗控制。与实际情况进行结合之后，发现减少电源电压可以实现电路功耗的有效控制。但是需要注意的一点就是，在具体操作过程中，如果阈值电压处于不变的状态下，那么电路的整个速度就会受到影响[2]。所以在这种背景下，要结合实际情况，尽可能减少阈值电压，但是并不是阈值电压越小越好，一般要将其控制在0.3V至0.1V之间就可以。
　　与此同时，在具体操作过程中，还要利用一些先进的工艺手段，这样做的根本目的是为了从中获取到比较小的管子尺寸。通过对这种类型管子尺寸的合理利用，不仅有利于促使快管电容可以得到有效减少，而且即使电源电压是处于不变的状态下，那么电路的整体功耗也可以得到有效的控制和降低。除此之外，还要与实际情况进行结合，通过對金属叠层布线的合理利用，这样可以从根本上促使芯片在实际应用过程中的面积得到缩减，而且还能够尽可能避免会使用到一些大范围的芯片连接。通过这种方式，不仅能够从根本上促使开关电容的数量可以得到有效减少，而且还有利于实现对电路功耗的有效控制。
　　2.2版图层次
　　在针对CMOS数字电路低功耗进行层次化设计的时候，可以从版图层次的角度出发，这样有利于保证其设计的有效性和针对性。版图设计在具体应用过程中，要结合实际情况，尽可能避免利用最小面积来容纳所有电路模块，这种目标已经不再适应于当前的实际情况。在这种背景下，要结合实际情况，对开关在频繁使用过程中的路径进行最短化的处理，与此同时，可以将开关活动作为主体，这样不仅有利于实现对布局的驱动，而且还可以在其中节约8%左右的功耗。通过对实际情况进行调查分析和研究，发现时钟树一般可以被看作是数字电路在日常运作过程中，在其中最大的负载网络[3]。通常比较良好的时钟树可以直接结合实际情况，生成相对应的算法，这样有利于尽可能避免时钟出现歪斜等问题，同时还能够避免其在实际应用过程中出现偏差或者是抖动等问题。现阶段在具体操作过程中，使用比较广泛的时钟树就是H网络。
　　2.3电路层次
　　从电路层次的角度出发，对低功耗进行设计的时候，其主要目的是为了实现对动态功耗的有效控制。在具体实施过程中，会涉及到很多方面的内容，比如电源电压等。由于开关在实际应用过程中所呈现出的功耗与电源电压之间的关系是二次方关系。所以在这种背景下，可以结合实际情况，通过对电源电压的减少，来实现对功耗的有效降低，这是一种最直接、同时也是最有效的方式。与此同时，如果是在阈值电压处于稳定不变的状态下，在针对各种不同类型电路模块进行具体供电的时候，会使用到符合实际要求的电源电压。这样可以结合实际，尽可能选择利用一些低的电源电压，这样有利于实现对功耗的节约和控制。
　　3结束语
　　CMOS数字电路在现阶段的发展过程中，必须要意识到低功耗设计的重要性，并且将其看作是自己未来的主要发展趋势。与此同时，通过对各种不同类型的层次化设计的合理利用，可以与低功耗技术进行有效结合。同时，在层次化设计过程中，可以从工艺、版图、以及电路这些角度出发，这样不仅有利于提出有针对性的设计方法，而且还能够保证CMOS数字电路在实际应用过程中的功耗可以得到有效控制。
　　参考文献：
　　[1]乔霖，李永红，岳凤英.基于ARINC 818机载航图单元视频辅助传输方案设计[J].电光与控制，2019，26（02）：93-96.
　　[2]魏东，王晓华.基于产品导向的逻辑综合设计策略分析与研究[J].中国集成电路，2018，27（11）：35-40.
　　[3]高华，李辉.14 nm工艺下基于CUPF的数字IC低功耗物理设计[J].电子技术应用，2017，43（09）：25-29.
　　（作者单位：天津国芯科技有限公司）
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