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片上自适应电压调整
资料介绍
一、AVS技术概述
1.1 AVS的基本定义
片上自适应电压调整（Adaptive Voltage Scaling,AVS）是一种面向集成电路的动态功耗管理技术，核心原理是根据芯片当前的工作负载、工艺偏差与温度波动，动态调整芯片核心供电电压，在满足性能目标的前提下最小化芯片动态功耗与静态功耗。
和传统固定电压供电方案相比，AVS技术能够应对芯片生产过程中不可避免的工艺波动，同时适配不同场景下的性能需求，在移动计算、高性能处理器、物联网芯片等对功耗敏感的领域得到广泛应用。
1.2 AVS技术发展背景
随着摩尔定律推进，芯片制程不断缩小，从微米级进入纳米级后，两个核心问题推动了AVS技术的发展：
1. 工艺偏差加剧：14nm及以下制程中，晶体管阈值电压、沟道长度的片间与片上偏差可达到10%以上，固定电压设计需要预留足够的电压裕度保证良品率，导致大量额外功耗浪费。
2. 功耗墙问题凸显：高性能芯片主频不断提升，动态功耗与供电电压的平方成正比，降低平均供电电压成为破解功耗墙的核心手段之一。
根据国际半导体技术路线图（ITRS）统计，先进制程下芯片因为工艺偏差预留的电压裕度最高可达25%，通过AVS消除不必要的电压裕度，最高可以降低芯片约30%的动态功耗，收益非常显著。
二、AVS技术核心原理
2.1 功耗与电压的基本关系
芯片动态功耗计算公式为：
其中$C$是负载电容，是供电电压，$f$是工作主频。从公式可以看出，当性能需求降低、主频下降时，同步降低供电电压可以获得平方级的动态功耗收益。
而芯片静态漏电流功耗与供电电压也正相关，降低电压同样可以减少静态功耗，对于漏电占比越来越高的先进制程，这部分收益越发明显。
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