如何设计一个低功耗芯片？

近年来，在人工智能、5G、大数据中心以及汽车等应用快速发展的推动下，对低功耗的需求已经扩散到了更多的终端产品中。随着芯片中晶体管的集成度越来越高，散热也将成为一个越来越难以处理的问题，终端厂商对于低功耗的芯片有了更大的需求，所以给广大芯片设计商提出了更大的挑战，如何设计一个低功耗芯片成为了各大芯片商亟待解决的难题。

首先，在基础材料的选取上，晶体管和其他器件的结构对能源效率有很大的影响，常用的硅拥有较高的导热性，此外，砷化镓也被广泛应用于某些高性能产品领域。在芯片开发的早期阶段，工程师通过选择与设计目标最匹配的晶体管来权衡功率性能区域(PPA)。FinFET是一个典型的例子。20世纪90年代，半导体行业面临着25纳米工艺的瓶颈。当时市场上有很多声音认为摩尔定律即将结束。FinFET晶体管技术的出现，使得半导体行业突破了瓶颈，逐渐发展到目前的7纳米和5纳米工艺技术。

然而，我们应该知道的是，大多数SOC设计不是在晶体管级别上进行的，而是在寄存器传输级别(RTL)上进行的，或使用通用功能的单元库合成的更高级别代码。这包括许多低功耗单元库。设计师可以使用逻辑合成工具快速测试各单元库的组合，以满足PPA的目标。功耗会影响芯片的电源完整性和热特性，因此这些问题必须在物理设计阶段解决，并在signoff期间确认。

在定义微架构的过程中，也必须考虑功耗。常见的做法是关闭当前SoC中未激活的部分，将其置于待机状态，或者使用动态电压和频率缩放(DVFS)实时控制操作。SoC架构师必须定义供电控制结构并提供hooks，这样它们就可以通过运行在终端系统上的软件进行操作。

软件是解决方案的最后一部分。虽然电源管理要求可以在硬件层面完全满足，但对于大多数SOC来说，大多数工作都由电源感知固件、操作系统(OS)和应用程序(应用程序)控制。例如，操作系统知道所有正在运行或计划运行的应用程序和任务，因此可以在不需要最高性能的情况下做出减少或停止芯片运行的决定。在生产过程中测试裸芯片和芯片的应用程序也需要注意功耗，以避免过热。

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