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寄存器傳輸級的低功耗
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)體工藝水平不斷進步的同時，以供電的手持設(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)功耗的貢獻達到20%-50%，這是非常巨大的比例。因而，在寄存器傳輸級進行低功耗設(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，當輸入為“0”時，PMOS導(dǎo)通，通過PMOS向負載充電；而當電路輸入為“1” 時，負載電容又會通過NMOS向地放電。I(Turn)就是不斷對負載電容充放電所產(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