另一层设计考量——混合技术降低动态功耗

随着行动装置成为市场主流，以及不断攀升的能源成本和环保意识的提高，功耗（power consumption）已成为设计人员最关心的议题。功耗大抵可分为两部分，其一是静态（static）或漏电（leakage）功耗，当元件处于待机状态时该情况自然会产生；其二是动态功耗（dynamic power），指的是元件切换过程中所产生的功率消耗。就降低功耗而言，两者都是设计上重要的议题；而这份报告主要是探讨动态功耗及如何改善其相关的度量（metric）。

传统设计中的另一层考量

过去数十年来，设计人员运用合成（synthesis）设计塬则进行设计，如此可产生同步时脉（synchronous clock-based）的架构。在这样的设计方法下，所有的逻辑电路转换由透过时脉网路分配的主时脉所支配。若最长的逻辑路径（logic path）超过主时脉的週期时间，则设计人员必须设法减缓时脉，或者加快长路径的速度。为了最有效地权衡两者，设计人员会使用静态时序分析工具，进行最长路径的运算及逻辑电路的最佳化，直到他们达成所预定的时序频率。

以上所述是当今设计所运用的基本方法论，它的效果不错、能达成每个技术节点的速度优化，而且极为可靠。然而就当今的设计环境来说，其主要的缺点是它把面积（area）和功率列为第二和第叁考量顺位，但以目前消费者对于更小、更快速且强调功能特色装置的迫切需求而言，设计人员不能再把面积与功率视作次要的设计目标，而是必须审慎评估及改善这两项度量，以满足当今的设计要求。

当我们在进行同步设计分析并将动态功耗纳入考虑时，可以辨识出两种造成过度功率耗损的塬因。其中之一是时脉分配（clock distribution），它能确保所有的逻辑电路与主时脉同步。整个时脉结构上的时脉偏移对于晶片的效能有直接的影响，因此必须设法将时脉延迟及偏移的发生降至最低。儘管上述架构允许设计人员提高时脉频率（及效能），但它也会消耗掉20％到60％的晶片功率，且需要大量的半导体空间。换句话说，这种设计方法虽然效率高但成本也高，特别是在功率方面。

同步设计也意味着电路中的所有转换会「聚集（bunch up）」在时脉边缘。举例来说，在每个有效时脉边缘上，所有发生在逻辑路径的转换会同时被执行，而当条件顺着组合逻辑链（combinatorial logic chain）被满足后，这些转换就会逐渐停止。若以图示表示，该现象可用锯齿波形来呈现。而大多数的动态功率就是在这样的执行过程中被消耗掉的，直到路径末端几乎没有功率被消耗为止。若是在最佳时序的状态下，则最后的转换应当在下一个时脉进行前就减弱。

就时序（timing）而言，该方法论的效果不错，若能妥善分配週期中的转换以及消除锯齿波形，则在任何时间点所需的最大功率将会大幅降低，幅度约30％到50％左右。这是因为电源供应线不需要处理每个时脉周期（clock cycle）一开始产生的众多元件切换所带来的电流突波（power surge），也因此可以减少面积并降低功率的浪费。

有一个简单但不切实际的解决方式是，建立一个带有适当延迟的客製逻辑电路（custom logic）去达成每个输出点所欲达到的功能，藉此妥善调整功率的分派。这个做法可以让速度变得很快，有点类似让单一印表机对上单一电脑，而不是透过区域网路让多个使用者共享一台印表机的资源。然而这样的架构需要大量的面积、逻辑电路及功率才能恰当的运作。我们相信一定有其他更好的方式能达成时序、效能、功率及面积的目标，同时又能符合经测试且有效率的合成设计方法（methodology of synthesis-based design）。

提升省电效率的方法

时脉闸控（clock gating）是用来在同步设计环境中，达成较佳动态功耗效能的最常见技术。时脉闸控本身即是违反传统的同步设计规则，而当今很多工具便是利用这样的「漏洞（loophole）」成功地改善功耗的问题。利用时脉闸控技术，除非输入至正反器（flip-flop）的资料遭到改变，否则正反器将不会接收到时脉讯号， 如此一来可以避免把功率浪费在正反器单元中，以及避免把功率用在受到闸控的任何时脉树部分。因此，当前的设计工具大量利用时脉闸控达成大幅降低动态功耗的目的。

在任何复杂的逻辑锥（cone of logic）中，当路径进一步到达逻辑锥区时，很多转换便会被封锁住，而无法透过时脉闸控来抑制。其中有些转换可作为「资料闸控（data gating）」用，而这个时候便能识别出，那些在不影响电路输出情况下进行转换的逻辑电路。常见的例子像是在某些时间点未被使用的操作输入，或是在週期中进行改变的记忆体读取地址。平息这类型的转换将大幅降低电路中