低功耗设计：（2）系统级优化

在芯片设计中，功耗优化是影响性能、续航、散热和成本的关键因素。功耗的来源主要涉及供电电压、时钟频率、器件数量以及工艺制程（影响阈值电压和漏电流）。从功耗构成来看，我们可以从不同层次入手进行优化，以提升整体能效。

不同层次对功耗的影响：

层次	功耗占比影响	典型优化方法
系统级	>70%	软硬件协同、功耗管理
架构级	40%~70%	电压/频率调整、多电压域、电源门控、异步设计
电路级	15%~40%	时钟门控、独热码编码、微架构优化、特殊写法
集体管级	10%~25%	多阈值工艺、版图优化、先进工艺制程

从上表可以得知，系统级优化对功耗的影响最大，可以决定整体架构的功耗控制策略。主要方法包括软硬件协同设计和功耗管理机制。

1. 软硬件协同设计

虽然功耗最终由硬件消耗，但软件对功耗有着深远的影响。在设计过程中，一个功能既可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，而不同的实现方式会导致功耗差异。

1.1 低功耗优化原则

（1）硬件运行速度尽可能慢 —— 速度越高，功耗越大；
（2）供电电压尽可能低 —— 电压降低，动态功耗显著减少；
（3）合理划分软硬件任务 —— 兼顾性能和功耗，在满足系统应用和性能的基础上，硬件单元速度应该尽可能慢，电压应该尽可能低。

例如，在嵌入式系统设计中，计算密集型任务通常交给专用硬件单元（如 DSP、NPU）处理，以降低 CPU 负载并减少整体功耗。而非关键任务则可以通过软件方式实现，以减少对硬件资源的依赖。

1.2 案例分析

• 移动 SoC 设计：视频编解码任务通常交由硬件VPU处理，而非CPU直接计算，以在更低功耗下完成任务。

• 智能手表等低功耗设备：低功耗MCU负责大部分任务，而主CPU仅在必要时唤醒，以减少能耗。

2. 功耗管理机制

在系统运行过程中，不同模块的使用状态不同。如果某些硬件单元当前未使用但仍处于通电状态，则会产生不必要的功耗损耗。因此，低功耗设计的核心策略之一是动态功耗管理（DPM, Dynamic Power Management）。

2.1 核心优化方法

（1）动态电源管理（Power Gating）：未使用模块直接断电，减少静态功耗；
（2） 动态电压/频率调整（DVFS）：根据计算负载调整电压和频率，降低动态功耗；
（3） 低功耗模式管理：支持睡眠模式、深度睡眠模式等，以适应不同功耗需求、

系统功耗管理示意图（图片来自网络）：

2.2 示例

智能手机功耗管理

• 智能调度（Big.LITTLE 架构）：高性能任务由大核（Big Core）执行，低功耗任务交给小核（Little Core）处理，实现高效能比。

• 屏幕熄灭时降低主频/关停部分外设，如 Wi-Fi、蓝牙等非必要模块进入低功耗状态。

• 应用级功耗优化：后台任务调度、降低屏幕刷新率、限制后台应用运行等。

3. 总结

功耗管理需要硬件支持，同时功耗优化与性能之间存在权衡，需要在不同应用场景下找到最优解。