自集成電路問世以來，設(shè)計者在單個芯片上集成的晶體管的數(shù)量呈現(xiàn)出令人驚訝的增長速度。近30年，集成電路的發(fā)展一直遵循著“摩爾定律”：集成在芯片上的晶體管的數(shù)量每18個月就翻一番，芯片成本也相應(yīng)下降。 

在半導(dǎo)體工藝水平不斷進(jìn)步的同時，以電池供電的手持設(shè)備和膝上電腦也迅速普及，系統(tǒng)的功耗有時已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計首要考慮的因素，因此，低功耗設(shè)計成為發(fā)展移動系統(tǒng)必然要解決的問題。 

集成電路的低功耗設(shè)計分為系統(tǒng)級、寄存器傳輸級、門級、電路級四個層次，而在這其中，寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計對優(yōu)化整個系統(tǒng)功耗的貢獻(xiàn)達(dá)到20%-50%，這是非常巨大的比例。因而，在寄存器傳輸級進(jìn)行低功耗設(shè)計是非常值得，也是很有必要的。 

集成電路中功耗的來源 

目前，CMOS工藝在集成電路特別是數(shù)字IC中應(yīng)用得很普遍。由于CMOS電路在輸入穩(wěn)定的時候總有一個管子截止，所以它的靜態(tài)功耗在理想情況下應(yīng)該是零，但這并不代表靜態(tài)功耗真的為零，實(shí)際上CMOS電路的靜態(tài)功耗就是指電路中的漏電流(這里不考慮亞閾值電流)。 

CMOS電路功耗的主要來源是動態(tài)功耗，它由兩部分組成：開關(guān)電流和短路電流。所以，整個CMOS電路的功耗為： 

P=P(Turn)+P(leakage)+P(short) 

其中，P(Turn)是開關(guān)電流I(Turn)產(chǎn)生的動態(tài)功耗；P(short)是動態(tài)情況下P管和N管同時導(dǎo)通時的短路電流I(short)產(chǎn)生的動態(tài)功耗；而P(leakage) 是由擴(kuò)散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流I(leakage)產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。如圖1所示。
 
圖1 CMOS電路功耗的主要來源是動態(tài)功耗，由開關(guān)電流和短路電流造成

在這三項(xiàng)中P(Turn)大約占電路功耗的80%，因而這里就只考慮開關(guān)電流I(Turn)所產(chǎn)生的動態(tài)功耗P(Turn)。I(Turn)是這樣產(chǎn)生的：在CMOS電路，當(dāng)輸入為“0”時，PMOS導(dǎo)通，電源通過PMOS向負(fù)載電容充電；而當(dāng)電路輸入為“1” 時，負(fù)載電容又會通過NMOS向地放電。I(Turn)就是不斷對負(fù)載電容充放電所產(chǎn)生的開關(guān)電流。 

一個CMOS反相器由開關(guān)電流引起的平均動態(tài)功耗是：P(Turn)=C(L)*VDD*VDD*f 

其中，CL是負(fù)載電容，VDD是電路的電壓，f是時鐘頻率。所以，要想降低電路的功耗就應(yīng)該降低電路的電壓和頻率。 

寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計 

寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計方法有很多種，本文只列舉三種zui為常用的設(shè)計方法：門時鐘、操作數(shù)隔離及存儲器分區(qū)訪問。 

1. 門控時鐘 

從上面的討論知道，CMOS電路的功耗是和頻率有著密切關(guān)系的，因此動態(tài)的關(guān)閉處于空閑狀態(tài)的時鐘具有明顯的節(jié)電效果。 

圖2a是傳統(tǒng)的設(shè)計：系統(tǒng)的時鐘直接接到D觸發(fā)器的時鐘輸入端，不管什么情況，只要輸入的Clock翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器就會工作，整個系統(tǒng)也一直不斷的運(yùn)行。而圖2b是增加了門控時鐘的設(shè)計：當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，譯碼出來的En信號為高，則觸發(fā)器可以正常鎖存數(shù)據(jù)；當(dāng)系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)時，把En信號清零，這樣，由于給觸發(fā)器的Clock一直保持零，不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，所以觸發(fā)器不會鎖存新的數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)被掛起，系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式。
 

在電路中加入門控時鐘很容易，可以用Verilog直接在描述中加入，也可以通過Synopsys的工具PowerCompile自動加入。通過加入門控時鐘，系統(tǒng)可以有選擇的停止不相關(guān)模塊的時鐘，以zui大程度的節(jié)省動態(tài)功耗。 

2. 操作數(shù)隔離 

這種方法主要是對系統(tǒng)中的算術(shù)、邏輯運(yùn)算模塊進(jìn)行低功耗設(shè)計，其主要思想就是：在不進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算的時候，使這些模塊的輸入保持“0”，不讓操作數(shù)進(jìn)來，輸出結(jié)果不會翻轉(zhuǎn)；而如果進(jìn)行這方面的運(yùn)算時，再將它們打開。 

這種方法在很多人看來是理所當(dāng)然的，認(rèn)為就應(yīng)該是這樣設(shè)計。然而在實(shí)際中，設(shè)計者一方面關(guān)心模塊的功能，另一方面迫于設(shè)計時間的壓力，所以很多設(shè)計中的細(xì)節(jié)沒有考慮。如圖3a，一個加法器的兩個輸入端沒有經(jīng)過任何邏輯直接進(jìn)入加法器，系統(tǒng)不管是否需要加法運(yùn)算，加法器都一直工作著，輸出不斷翻轉(zhuǎn)著，這對系統(tǒng)的動態(tài)功耗是很大的浪費(fèi)，而且數(shù)據(jù)總線越寬浪費(fèi)的功耗越多；圖3b 則用操作數(shù)隔離的方法進(jìn)行設(shè)計：當(dāng)系統(tǒng)不需要加法運(yùn)算的時候，Adder_en信號為“0”，則加法器的兩個輸入端都保持“0”， 其輸出不會發(fā)生任何翻轉(zhuǎn)，不會產(chǎn)生動態(tài)功耗，而如果需要進(jìn)行加法運(yùn)算時，Adder_en變成“1”，加法器正常工作。