低功耗設計精解

前 言
第1章 綜述 1
第2章 納米電晶體及其模型 25
第3章 功耗和能耗基礎 57
第4章 優化功耗@設計階段——電路層技術 80
第5章 優化功耗@設計階段——架構、演算法和系統 117
第6章 優化功耗@設計階段——互聯和時鐘 155
第7章 優化功耗@設計階段——記憶體 185
第8章 優化功耗@待機階段——電路與系統 211
第9章 優化功耗@待機階段——記憶體 237
第10章 優化功耗@運行階段——電路與系統 254
第11章 超低功耗/電壓設計 292
第12章 低功耗設計方法和流程 321
第13章 總結與展望 350
 

幻燈片0.1

歡迎閱讀本書。

近年來，功耗和能耗已經成為數位電路設計中最引人注目的問題。一方面，功耗已經嚴重制約了電路的運行速度；另一方面，能耗節省技術已經讓我們能夠造出隨處可見的移動設備，它們可以在單電池供電下支援更長的待機時間。

幻燈片0.2

你可能很想知道，既然市場上已存在很多關於低功耗設計的書（我自己也合著過其中的一些），為什麼還需要本書呢？答案很簡單：所有的此類書都是彙編成冊的，而且都是針對在功耗和能耗的主要設計課題上已頗具專業功底的讀者而編寫的。今天，這些課題變得尤為引人注目，我認為需要一本適合教學的書。這意味著從基礎入手，通過嚴格的方法論並採用統一的符號和定義來揭示不同的主題。本書採用最為先進的半導體製造工藝（90nm及以下尺寸）結合實例闡明概念，主要適用於中短期低功耗設計課程，也非常適合想要通過自學來緊跟低功耗設計前沿的專業人士閱讀。

前言也給了我機會去闡述一個長期讓人們對低功耗設計感到望而生畏的問題。業內的許多人士似乎認為，只是將一些“應用技巧”點對點套用在設計上，只有大師級的人才能把低功耗弄得水落石出，低功耗方法這個概念是一個自相矛盾的說法。事實上，近年來，研究和設計人員已經表明，這些認識一點都不正確。過去幾年裡，最為重要的低功耗實現之一是最低能耗的設計，這雖然很有趣，但並非我們真正的追求。通常情況下，我們是在權衡電路延遲和能耗的同時，探求一個針對指定性能的最低能耗或者針對指定能耗的最優性能。一些探索優化設計的工具能幫助我們在設計的各個層次和級別上，根據豐富的資訊來權衡電路延遲和能耗。

整本書將秉承這種方法。同時我們也會探求，如果要繼續降低每次運算的能耗，我們將會面臨哪些必須克服的主要障礙。這自然會涉及能量可以縮放的物理極限問題。只要有可能，我們就會大膽地展望未來。

幻燈片0.3

這個前言裡，你已經看到本書採用了有點非正統的方法。本書沒有採用在連續而冗長的文字中偶爾插入圖片的傳統方式，取而代之的是相反的做法：首先是圖片，文字放在其旁邊作為注釋。依照我的經驗，一張圖片比一頁文字更能有效地傳達資訊（所謂“一圖勝過千言萬語”）。這種方式被Willy Sansen教授在他的《Analog Design Essentials》（也是由Springer出版的）一書中首次採用。當我第一次看見他的書時，我立刻就被他的這個創意給迷住了。我對他的那本書看得越多，就越喜歡它。故而這本書……流覽它時，你會發現，幻燈片和注釋發揮了完全不同的作用。這種格式的另一個優點是，教師基本上立刻擁有了所有的課件。

幻燈片0.4

本書的大綱採用如下方式：在建立了基礎之後，著手解決三種不同操作模式下的功耗優化——設計階段、待機階段和運行階段。在每種模式下所使用的技術截然不同，但所有情況下我們都要把動態功耗和靜態功耗同時優化——在今天的半導體工藝下，漏電功耗幾乎可以與開關功耗（switching power）相提並論。因此，將它們分開並沒有太大的意義。事實上，更好的設計往往需要對兩者進行精心的權衡。最後，本書總結一些常用的課題，比如設計工具、功耗的限制，以及對未來的一些預測。

幻燈片0.5

沒有他人的幫助，是不可能完成這本書的。首先，對Ben Calhoun、Jerry Frenkil、Dejan Markovi和Bora Nikoli的幫助以及合著某些章節的行為表示深深感激。另外，還有很多人對提供幻燈片製作和審閱本書初稿有幫助。特別要感謝那些對低功耗設計技術領域有深遠影響和卓越建樹的同行——Bob Brodersen、Anantha Chandrakasan、Tadahiro Kuroda、Takayasu Sakurai、Shekhar Borkar和Vivek De，在過去幾十年中與他們的合作真是讓我感到無比愉快和振奮。

幻燈片0.6～幻燈片0.7

每章末尾都給出該章所引用的一組參考文獻。對於你尤其感興趣的那些低功耗設計主題，這兩個幻燈片列舉了許多常用的參考文獻、綜述論文以及富有遠見的演講稿。

在2007年春季休假期間，當我在歐洲旅行時，我欣然把本書內容彙編成冊，這是一個美好的過程。我希望各位讀者也喜歡本書。

——Jan Rabaey