7.1 功耗从哪里来：静态与动态

7.1 功耗从哪里来：静态与动态

治理功耗先要懂功耗的账本。本节把一颗芯片的电费单逐科目拆开：哪些电花在"干活"上，哪些花在"待着"上，哪些纯属内耗。账本科目清楚了，7.2 节的每种治理武器省的是哪一栏、省多少，就都变得可以计算。读完本节，你应当能读懂一份功耗报告，并为一颗芯片编制场景化的功耗预算。

一瓦电的去向

数字 CMOS 电路的功耗大账分两栏：动态功耗（电路翻转时花的电）与静态功耗（不干活也漏的电）。两栏的物理成因不同，治理武器也完全不同，所以拆账是治理的前提。

动态功耗的主力是开关功耗：给负载电容充放电的电。它的大小正比于三个因子——负载电容、电压的平方、翻转频率乘以活跃率。这个平方关系是全章最重要的一个数字事实：电压降一半，开关功耗降到四分之一——这解释了为什么"降电压"永远是功耗武器库里的重炮（7.2 节的调频调压）。次目是短路功耗：翻转瞬间上下管短暂同时导通形成的尖峰电流，占比通常在一成上下，靠边沿陡峭度治理。

静态功耗是漏电流的电：关断的晶体管并非滴水不漏，工艺越先进、沟道越薄，漏得越凶。漏电有三个恶劣品性：与温度正相关（热了更漏，恶性循环）、与电压正相关（降压也治漏电）、昼夜不停（待机时它独自决定电池寿命）。对 CK770 这类电池设备，静态功耗科目在待机场景下占比过半——这是 1.1 节电表集中器案例里"待机超标"的物理背景。

图：功耗账本与 CK770 电源树的对应

记账方法：按场景立科目

功耗预算的编制有两个易错点，先立规矩再谈方法。

易错点一：用单一数字交差。"平均功耗多少毫瓦"这句话几乎无信息量——平均在场景构成上做了加权，而治理武器是按场景使用的。正确的预算表以场景为行、科目为列：满载采集、常态轮询、深度待机各立一行，每行拆动态与静态两栏，并注明该场景的首要治理手段。CK770 预算表（上图）就是按这个格式立的。易错点二：漏算非数字逻辑的开销。时钟树的功耗常占总动态功耗的两三成，电源转换环节有转换效率损耗，模拟岛有自己的静态偏置——这些科目不归"逻辑功耗"管，却真实地从电池里扣钱。预算表要把它们单列，7.3 节的实操会看到时钟树这一栏的分量。

编制方法本身是老朋友：按 2.3 节带宽预算的同门功夫——逐行记账、留余量、找最坏场景。每个行项目的数字来自功耗估算工具（按翻转活跃率估算），关键行加两成余量，最坏场景（2.3 节的"最坏组合"思想移植过来：满载加高温）单独核算。预算编完后，它立刻成为两项上游工作的输入：给 6.1 节的电源网络设计提供电流分布图，给 7.2 节的治理方案划定"必须省出多少"的目标。

案例复盘：待机科目的一次险情

背景：CK770 的功耗预算在架构阶段编制完成，待机科目承诺的静态电流留有余量。综合后（4.3 节的功耗初估表）与布局后（6.3 节签核附带的分析）各做了一次逐场景核算，待机科目两次都过。真正的险情出现在流片前的最后一次全场景复算。

操作。 复算团队按场景逐项核对数字来源时，发现深度待机行有一个可疑：静态电流的估算值里，常开域的份额只计了实时时钟与唤醒逻辑，但 3.1 节时钟方案里那条"常开域直取晶振分频"的时钟树，其缓冲器与分发网络没有被计入常开科目——它被默认塞进了外设域的账，而外设域在深度待机时是要整体断电的。也就是说，一条永不断电的时钟树被记在了一张会断电的账本上。核对电路连接后确认：这条树物理上接在常开电源上，估算账目与实际供电不符，账面少记了待机电流的一成五。

结果。 三个选项摆上桌：接受超标（重新对电池寿命承诺做敏感性分析）、把这条树改挂可断电电源（唤醒延迟变长、且要重走 6.3 节部分签核）、或压缩时钟树规模（缓冲器减半，驱动余量重新核算）。团队选了第三条：常开域的时钟分发重走了一版低功耗结构，估算回到预算线内，6.2 节的时序对常开域复核无恙。流片放行，回片实测待机电流与修正后的估算偏差在百分之五以内。

解读。 这次险情的三条经验。其一，功耗账本是供电事实的镜像：每个科目必须与物理供电关系一一对应，"电从哪来"与"账记在哪"不一致，预算就是虚构的账——这次错的不是数字，是归属。其二，跨章节的接口是错账高发区：那条时钟树横跨 3.1 节的方案与 7.1 节的科目，接口处的账目要双方对签，单方记账必出岔。其三，预算要复算三遍以上：架构、综合、签核各一遍，每遍都是不同抽象层的新证据；险情正是在第三次复算才现形——前两遍的"通过"不是错的，只是那个抽象层看不见它。

变式。若超标无法靠压缩时钟树消化（差额太大），第二个选项（改挂可断电电源）就要认真评估，唤醒延迟的代价要拿到 8.4 节的启动流程里核算；若产品不是电池设备（插电仪器），待机科目的权重骤降，同样的账目瑕疵可能永远不会被追究——预算的严格程度永远跟随场景的商业约束，这也是 1.2 节"第三问"在功耗章的回响。

时钟树的功耗账单值得拆开看一眼，因为它的构成相当"纯粹"：分发网络上的缓冲器链、贯穿全芯片的长线、以及最高的翻转率（时钟每个周期必翻两次，不存在活跃率的折扣）。三样叠加，让这棵树吃下动态功耗的两三成而毫无愧色。这份构成也预示了治理的切入点：7.2 节的门控省的是"翻转率折扣"，3.1 节的双环方案省的是"唤醒时不用重启整棵树"，6.1 节的时钟树单独验收保的是"分发结构不在布线期失控"——三个章节从三个方向围攻同一笔开销，这就是功耗治理的体系性。

常见问题辨析

问：工艺越先进漏电越大，那先进工艺的意义在哪？

账要一起算。先进工艺的开关功耗大幅下降（电容更小、等效开关更快），静态漏电虽然上升，多数场景下总功耗仍是净赚——这也是先进工艺的主叙事。真正的分水岭场景是"长睡眠"：睡眠时间越长，漏电在总账里的权重越大，当待机远多于干活时，先进工艺的静态劣势可能吃掉动态优势。成熟的应对是混合策略——逻辑走先进节点吃动态红利，常开域与模拟部分留在漏电友好的成熟节点，再把电源门控用足。这又一次呼应第一章：工艺选择不是单选题，是按模块分档的组合题。

问：那"平均功耗"在什么场合才有用？

两种场合：算电池续航（续航是能量账，平均功率乘时间就是能量）和算散热（散热看的是单位时间内产生的热，平均有粗略意义）。除此之外的治理决策都不该用它——因为治理武器按场景与科目作用，平均数把该省的与不该省的搅在一起。实操建议是预算表只把平均数当"对外承诺列"，真正的治理行永远是场景化的。

问：温度升高漏电增大，这个恶性循环工程上怎么断开？

断点选在"热"与"漏"的接口上：要么压热，要么压漏。压热的手段是散热与降负载——热点区布置散热通路、固件给持续高载的模块排休息窗（7.2 节的状态机兼职管热）。压漏的手段是电压与门控——降压对漏电的抑制虽不如对开关功耗那么猛，但方向一致；电源门控更是直接把漏电路径掐断。最忌讳的是放任：热了更漏、漏了更热，直到触发保护关机，用户看到的就是"天热就死机"。CK770 把温度传感器列为常开域必配，就是给这个循环装上早期报警器。

本节要点回顾

• 功耗两大栏：动态（开关加短路，满载的主角）与静态（漏电，待机的主角），治理武器各自独立，拆账是治理的前提。
• 电压的平方关系是头号杠杆：电压减半，开关功耗降到四分之一——7.2 节降压武器威力之源。
• 预算按场景立科目、按科目对供电，"平均功耗"没有治理意义，时钟树与电源转换损耗必须单列。
• 账本复算要跨抽象层做三遍，跨章节接口的账目双方对签——CK7待机险情的教训是归属错位，不是数字算错。

账本科目认清了，下一节开启武器库：从时钟门控到整域断电，四层治理武器各自的威力与代价。