面向边缘计算的CMOS高能效芯片跨层级设计与多场景优化方法

摘要

随着集成电路工艺逐步进入后摩尔时代,单纯依赖晶体管尺寸微缩所带来的性能与能效提升已难以持续,能效问题正日益成为制约芯片性能提升和应用扩展的关键因素.尤其在以边缘计算为代表的新兴应用场景中,受限于功耗预算、面积成本与实时性要求,芯片设计面临更加严苛且多样化的约束条件.在此背景下,先进互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)芯片设计的优化重心正由以工艺演进为主,转向以电路、架构与系统层面协同优化为核心的设计驱动路径.本文围绕面向边缘计算的CMOS高能效芯片设计与优化问题,系统综述了设计层面的关键技术与方法体系.首先,从后摩尔时代的技术背景出发,分析了能效瓶颈的内在成因及其在低功耗场景下的表现特征.随后,按照电路层、架构层以及新兴计算范式的组织逻辑,系统梳理了支撑高能效边缘计算的关键设计方法.在此基础上,结合人工智能推理、边缘智能与物联网以及通信与信号处理等典型边缘应用场景,深入分析了不同应用约束下能效瓶颈的形成机理及相应的设计权衡策略.最后,本文总结了面向边缘计算的高能效CMOS芯片设计所面临的关键挑战,并对未来发展趋势进行了展望,旨在为后摩尔时代复杂应用约束下的高能效边缘计算芯片设计提供系统性的技术参考与思路借鉴.

关键词

CMOS高能效芯片 / 边缘计算 / 能效优化 / 设计驱动 / 体系结构优化 / 新兴计算范式