Giảm tiêu thụ năng lượng là mục tiêu chính trong thiết kế mạch tích hợp (IC) số hiện đại. Hoạt động ở mức điện áp thấp hơn là một phương pháp hiệu quả, nhưng cũng đặt ra các thách thức về việc duy trì độ tin cậy và hiệu suất. Điện áp thấp hơn giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ nhưng có thể dẫn đến vấn đề về tính toàn vẹn tín hiệu, tốc độ chuyển đổi transistor chậm hơn, và tăng độ nhạy với nhiễu.

Một phương pháp thiết kế điện áp thấp là thay đổi điện áp động (DVS), điều chỉnh điện áp hoạt động dựa trên nhu cầu xử lý. Khi IC hoạt động với nhu cầu xử lý thấp, DVS sẽ giảm điện áp để tiết kiệm năng lượng. Trong giai đoạn tải cao, điện áp được tăng về mức tối ưu để đảm bảo hiệu suất. Tính linh hoạt này khiến DVS trở thành một công cụ hữu ích trong việc quản lý hiệu quả năng lượng mà không ảnh hưởng đến tốc độ khi cần thiết.

Vận hành dưới ngưỡng (sub-threshold operation) là một kỹ thuật khác được sử dụng trong thiết kế điện năng thấp. Trong phương pháp này, transistor hoạt động ở mức điện áp dưới ngưỡng, giúp giảm tiêu thụ năng lượng đáng kể. Tuy nhiên, các mạch dưới ngưỡng hoạt động với tốc độ thấp hơn và dễ bị nhiễu hơn, nên chủ yếu phù hợp cho các ứng dụng không yêu cầu tốc độ cao, chẳng hạn như thiết bị đeo và cảm biến IoT.

Dòng rò là một vấn đề lớn trong IC điện áp thấp. Để khắc phục điều này, các nhà thiết kế thường sử dụng kỹ thuật power gating, giúp tắt nguồn điện của các phần IC không sử dụng. Bằng cách cô lập các phần không hoạt động khỏi nguồn cấp điện, power gating giảm thiểu dòng rò, tiết kiệm năng lượng mà không ảnh hưởng đến các phần hoạt động của mạch. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích cho các thiết bị cần thời gian chờ cao, như điện thoại thông minh và máy tính xách tay.

Điều chỉnh điện áp ngưỡng cũng giúp quản lý năng lượng trong các IC điện áp thấp. Phương pháp này liên quan đến việc điều chỉnh điện áp ngưỡng của transistor để kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng dựa trên yêu cầu của thiết bị. Giảm điện áp ngưỡng sẽ cải thiện hiệu suất nhưng có thể làm tăng dòng rò, vì vậy việc điều chỉnh ngưỡng phải được quản lý cẩn thận để cân bằng giữa hiệu suất và hiệu quả năng lượng.

Tắt xung nhịp (clock gating) là một kỹ thuật hiệu quả khác cho thiết kế điện áp thấp. Bằng cách ngừng tín hiệu xung nhịp đến các phần IC không hoạt động, clock gating giảm tiêu thụ năng lượng động, năng lượng sử dụng trong các hoạt động chuyển đổi. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các bộ xử lý và đơn vị nhớ, nơi các phần mạch thường xuyên chuyển đổi giữa trạng thái hoạt động và trạng thái chờ. Clock gating giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng bằng cách loại bỏ các chu kỳ xung nhịp không cần thiết trong các thành phần ở trạng thái chờ.

Thiết kế IC điện áp thấp đáng tin cậy cũng đòi hỏi các cơ chế sửa lỗi mạnh mẽ. Điện áp thấp làm tăng khả năng lỗi dữ liệu do nhiễu và dao động điện áp. Mã sửa lỗi (ECC) và các kỹ thuật dự phòng đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và ngăn ngừa suy giảm hiệu suất, rất cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và độ tin cậy cao như thiết bị y tế và điện tử ô tô.

Thiết kế điện áp thấp trong IC số đặt ra nhiều thách thức nhưng mang lại lợi ích đáng kể về hiệu quả năng lượng. Các kỹ thuật như thay đổi điện áp động, vận hành dưới ngưỡng, power gating và clock gating, và điều chỉnh điện áp ngưỡng giúp các nhà thiết kế tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong khi vẫn giải quyết được các vấn đề về độ tin cậy. Khi nhu cầu về điện tử tiết kiệm năng lượng ngày càng tăng, các kỹ thuật này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy các thiết kế IC hiệu quả năng lượng, hỗ trợ sự phát triển của các thiết bị điện tử bền vững và hiệu suất cao.