绿色低碳背景下集成电路设计的功耗优化技术与实践
来源：捷配
时间: 2025/12/11 10:03:57
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一、绿色低碳对集成电路设计的新要求?
在全球 “双碳” 目标的推动下，绿色低碳已成为集成电路产业发展的核心导向，对集成电路设计提出了新的要求：一是降低芯片全生命周期能耗，包括设计、制造、封装、使用和回收等各个环节；二是提升芯片能效比，在保证性能的前提下，最大限度降低单位算力的功耗；三是减少设计过程中的资源消耗，优化 EDA 工具的算力需求和能耗，降低设计阶段的碳足迹。据统计，2023 年全球数据中心因芯片运行产生的碳排放达 1.2 亿吨，占全球总碳排放的 0.3%，随着人工智能、大数据等算力密集型应用的普及，芯片能耗问题将愈发突出，功耗优化已成为集成电路设计的核心竞争力。
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二、集成电路设计中的核心功耗优化技术?
集成电路设计的功耗主要包括动态功耗、静态功耗和短路功耗，其中动态功耗占比最高（约 70%-80%），静态功耗随先进制程演进占比逐步提升。针对不同类型的功耗，行业已形成一系列成熟的优化技术。在动态功耗优化方面，主要采用电压频率调节（DVFS）、时钟门控（Clock Gating）、总线编码优化等技术。DVFS 技术根据芯片工作负载动态调整电压和频率，可降低动态功耗 30%-50%；时钟门控技术通过关闭闲置模块的时钟信号，减少无效开关活动，动态功耗可降低 20%-30%；总线编码优化通过减少总线信号的翻转次数，降低互连功耗 15%-25%。在静态功耗优化方面，采用多阈值电压（Multi-Vt）设计、电源门控（Power Gating）、反向偏置等技术。Multi-Vt 技术通过在不同模块采用高、中、低阈值电压晶体管，在性能和功耗之间实现平衡，静态功耗可降低 40%-50%；Power Gating 技术在模块闲置时切断电源，静态功耗几乎为零；反向偏置技术通过对晶体管施加反向电压，降低漏电流，静态功耗可降低 30%-40%。在系统级功耗优化方面，采用异构计算架构、任务调度优化、低功耗算法等技术，从系统层面实现功耗与性能的最优匹配。?
三、典型应用场景的功耗优化实践?
不同应用场景对功耗优化的侧重点不同，以下为三个典型场景的实践案例。在智能手机领域，高通骁龙 8 Gen3 芯片采用 4nm FinFET 工艺，通过异构计算架构（1 颗超大核 + 3 颗大核 + 4 颗小核）和 DVFS 技术，在跑分场景下实现高性能输出，在日常使用场景下自动切换至低功耗模式，综合功耗较上一代降低 15%，续航时间提升 20%。在数据中心领域，英特尔至强第四代可扩展处理器采用 Intel 7 工艺，集成了电源管理单元（PMU）和能耗监控模块，支持动态功耗封顶技术，可根据数据中心能耗预算调整芯片功耗，同时通过优化缓存架构和互连设计，能效比提升 30% 以上，数据中心 PUE（电源使用效率）降低 5%-10%。在物联网领域，Nordic nRF5340 芯片采用 5nm 工艺，集成了 Power Gating 和低功耗蓝牙模块，在待机模式下功耗仅为 0.2μA，在通信模式下功耗为 3mA，支持物联网终端续航时间达到 5 年以上，大幅降低了终端设备的充电频率和碳排放。
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