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低功耗VLSI中的互連設計
低功耗VLSI設計的目標是將電路塊組合為集成電路，同時(shí)保持較低的功耗和延遲時(shí)間。
互連的設計應具有優(yōu)化的功率流，以確保信號通過(guò)集成電路傳輸。
盡管有許多解決方案可將功耗保持在較低水平，但仍需要設計互連，以平衡功耗，傳播延遲和SNR。
VLSI是將CMOS晶體管模塊集成到大型集成電路中的標準過(guò)程，但是CMOS互連并不總是節能?；ミB不僅包括跨半導體裸片布置的物理傳輸線(xiàn)，而且在設計節能系統時(shí)必須考慮所有的電源產(chǎn)生和耗散源。低功耗VLSI中的互連設計旨在降低功耗，同時(shí)在系統周?chē)鷤鬏斝盘枙r(shí)保持信號完整性。
為什么要擔心VLSI中的電源？
作為擴展晶體管架構和IC中無(wú)源組件的一部分，功耗已成為重要的設計約束，并且需要對整個(gè)互連進(jìn)行優(yōu)化。低功耗VLSI中互連設計的一個(gè)目標是在可能的情況下降低功耗，尤其是在高速數字電路模塊中。功耗成為VLSI中主要設計約束的原因有很多：
晶體管數：隨著(zhù)器件規模的增加，晶體管的數量增加，因此每個(gè)晶體管的功耗需要降低。特別是對于CMOS器件，需要將CMOS反相器在開(kāi)關(guān)過(guò)程中消耗的功率降至最低。
信號擺幅：在切換期間，狀態(tài)之間的信號擺幅將吸收大功率的瞬時(shí)電流。這是隨著(zhù)晶體管縮放繼續而信號電平下降的原因之一。
更快的時(shí)鐘：更頻繁的開(kāi)關(guān)操作會(huì )在散發(fā)熱量到封裝之前消散更多的功率，從而導致較高的芯片溫度和器件故障。
系統電源：更多設備使用電池供電，而不是壁式電源，因此需要將總功耗降至最低，以延長(cháng)設備壽命。復雜的PLD和處理器是移動(dòng)設備和嵌入式系統中功耗的主要驅動(dòng)因素。
抗噪聲能力：需要將功耗保持在較低水平，但是將功耗過(guò)低會(huì )使數字信號電平達到SNR值接近1的地步。
互連上的IR下降：IC中的所有金屬互連都具有一定的DC電阻，該電阻會(huì )耗散傳播信號所攜帶的功率。隨著(zhù)設備的擴展，更小的互連是首選，但是這些互連會(huì )消耗更多的功率。
這些要點(diǎn)中的許多都專(zhuān)門(mén)涉及低功耗VLSI中的互連設計，而其他一些則涉及給定IC與較大系統之間的交互。一些簡(jiǎn)單的設計選擇可以幫助保持互連的功耗和損耗低，同時(shí)保持信號完整性，而仿真可以幫助在原型設計和測試之前進(jìn)行設計驗證。
如何減少VLSI互連中的功耗
VLSI設計和布局中的功耗必須集中在四個(gè)領(lǐng)域：電路級，系統級，體系結構級和網(wǎng)絡(luò )級。電路級和體系結構級的設計選擇可以在半導體管芯上進(jìn)行，并提供了兩種降低功耗的標準方法。
架構級設計技術(shù)
系統架構和路由拓撲是可以降低功耗的兩個(gè)廣泛領(lǐng)域?？梢酝ㄟ^(guò)重新設計邏輯或合并電路塊來(lái)簡(jiǎn)化互連的每個(gè)區域（驅動(dòng)器，接收器，緩沖器和中繼器）中的電路，以減少總功耗。
修改總線(xiàn)拓撲是VLSI布局中的另一個(gè)區域，可以在該區域中優(yōu)化體系結構以使其具有低功耗。特別地，總線(xiàn)分裂是用于減小互連上的電容性負載的一種方法。切換到基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的總線(xiàn)拓撲是減少布局中互連功耗的另一種方法。
該VLSI布局使用線(xiàn)性總線(xiàn)拓撲，但是類(lèi)似點(diǎn)對點(diǎn)或網(wǎng)狀拓撲的替代方法可能會(huì )降低功耗。
電路級設計技術(shù)
VLSI互連已經(jīng)在使用中繼器和緩沖器來(lái)減少傳播延遲，但是數字信號的切換仍然功耗低。為了減少瞬態(tài)信號擺幅期間的功耗，可以稍微降低電源電壓以減少功耗。也可以通過(guò)使用較寬的導線(xiàn)來(lái)減小導線(xiàn)電容（這也可以減少IR壓降），一旦電源和信號電平降低，這將進(jìn)一步減少開(kāi)關(guān)時(shí)間。
低功耗VLSI中互連設計的功耗優(yōu)化
一旦使用電路模擬器產(chǎn)生了仿真結果，就需要優(yōu)化低功耗VLSI互連，以在低電壓和電流水平下運行而不會(huì )降低信號質(zhì)量。最好的電路設計工具可以通過(guò)為互連中的不同，真實(shí)或現象學(xué)電路元素運行參數掃描來(lái)幫助優(yōu)化。通過(guò)迭代互連設計中的候選參數值，可以在平衡其他設計目標（如信號完整性）的同時(shí)將功耗降至最低。
參數掃描對于快速連續運行以下計算并得出設計結果很有用：
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電氣特性 |
模擬類(lèi)型 |
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互連傳遞函數 |
確定傳遞函數中的極點(diǎn)和零點(diǎn)，并仿真互連部分中的脈沖響應，以確保信號不會(huì )失真。 |
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傳輸線(xiàn)阻抗 |
檢查阻抗是否與互連的接收器端的負載阻抗匹配。 |
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直流電阻和功率損耗 |
使用直流電阻和互連電流計算功率損耗（IR降），并確保接收器看到足夠的信號電平以防止誤碼。 |
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瞬態(tài)分析 |
使用它來(lái)檢查信號擺幅并計算平均功耗 |
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噪音分析 |
使用噪聲分析來(lái)確定SNR的適當限制，以確?？梢栽谙到y的本底噪聲以上解析信號。 |
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其他任務(wù)，例如溫度和產(chǎn)量分析 |
檢查優(yōu)化的功率在系統的預期工作溫度范圍內穩定。 |
在這些分析中運行參數掃描還可以確定功耗，并且可以檢查其他設計指標以確保正確的系統操作。最好的電路設計和仿真軟件將使用基于SPICE的仿真引擎幫助自動(dòng)執行這些分析。