การลดการใช้พลังงานเป็นเป้าหมายหลักในการออกแบบวงจรรวมดิจิทัล (IC) สมัยใหม่ การทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ แต่ก่อให้เกิดความท้าทายในการรักษาความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำช่วยลดการใช้พลังงานลงได้ แต่ทำให้เกิดปัญหาด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณ ความเร็วในการสลับทรานซิสเตอร์ช้าลง และความไวต่อสัญญาณรบกวนที่เพิ่มขึ้น

วิธีหนึ่งในการออกแบบที่แรงดันต่ำคือการปรับระดับแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก (Dynamic Voltage Scaling - DVS) ซึ่งปรับแรงดันไฟฟ้าตามความต้องการในการประมวลผล เมื่อวงจร IC มีการประมวลผลต่ำ DVS จะลดแรงดันไฟฟ้าเพื่อประหยัดพลังงาน และในช่วงที่มีภาระสูง แรงดันไฟฟ้าจะถูกปรับกลับไปที่ระดับที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจว่าประสิทธิภาพยังคงดีอยู่ ความสามารถในการปรับตัวนี้ทำให้ DVS เป็นเครื่องมือที่มีค่าในการจัดการการใช้พลังงานโดยไม่สูญเสียความเร็วเมื่อจำเป็น

การทำงานในระดับแรงดันต่ำกว่าค่าธรรมดา (Sub-threshold operation) เป็นอีกเทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการออกแบบวงจรดิจิทัลที่ใช้พลังงานต่ำ ในวิธีนี้ ทรานซิสเตอร์จะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าระดับขีดจำกัด ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม วงจรที่ทำงานในระดับแรงดันต่ำกว่าค่าธรรมดาจะทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าและไวต่อสัญญาณรบกวนมากกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ความเร็วไม่สำคัญ เช่น ในอุปกรณ์สวมใส่และเซ็นเซอร์ IoT

กระแสไฟรั่วไหลเป็นปัญหาสำคัญใน IC แรงดันต่ำ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักออกแบบจึงใช้เทคนิคการ ปิดแหล่งพลังงาน (Power Gating) ซึ่งจะปิดส่วนต่างๆ ของ IC ที่ไม่ใช้งาน การแยกส่วนที่ไม่ใช้งานออกจากแหล่งพลังงานจ่ายไฟจะช่วยลดกระแสไฟรั่วไหลลงและประหยัดพลังงานโดยไม่กระทบต่อส่วนที่ยังทำงาน เทคนิคนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่ต้องการเวลาสแตนด์บายสูง เช่น สมาร์ทโฟนและแล็ปท็อป

การปรับค่าแรงดันของทรานซิสเตอร์ (Threshold Voltage Tuning) ยังช่วยในการจัดการพลังงานใน IC ที่ใช้แรงดันต่ำ วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการปรับค่าความต้านทานของทรานซิสเตอร์เพื่อควบคุมการใช้พลังงานตามความต้องการของอุปกรณ์ การลดค่าแรงดันของทรานซิสเตอร์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่สามารถทำให้เกิดกระแสรั่วมากขึ้น ดังนั้นการปรับค่าแรงดันจะต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวังเพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการใช้พลังงาน

การปิดสัญญาณนาฬิกา (Clock Gating) เป็นอีกหนึ่งเทคนิคที่มีประสิทธิภาพในการออกแบบที่ใช้แรงดันต่ำ โดยการหยุดสัญญาณนาฬิกาในส่วนที่ไม่ได้ใช้งานจะช่วยลดการใช้พลังงานแบบพลศาสตร์ ซึ่งเป็นพลังงานที่ใช้ระหว่างการเปลี่ยนสถานะ เทคนิคนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในหน่วยประมวลผลและหน่วยความจำ ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงระหว่างสถานะการทำงานและการพักอยู่บ่อยครั้ง การปิดสัญญาณนาฬิกาช่วยประหยัดพลังงานอย่างมากโดยการขจัดรอบนาฬิกาที่ไม่จำเป็นในส่วนที่ไม่ได้ใช้งาน

การออกแบบ IC แรงดันต่ำที่มีความน่าเชื่อถือยังต้องการกลไกการแก้ไขข้อผิดพลาดที่มีประสิทธิภาพ การใช้แรงดันต่ำเพิ่มโอกาสในการเกิดการเสียหายของข้อมูลเนื่องจากสัญญาณรบกวนและความแปรปรวนของแรงดัน ระบบอัจฉริยะที่ล่วงรู้และแก้ไขจุดผิดพลาดได้ด้วยตัวเอง (Error Correction Codes; ECC) และเทคนิคการสำรองข้อมูลช่วยรับประกันความสมบูรณ์ของข้อมูลและป้องกันการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูง เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และอิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์

การออกแบบแรงดันไฟต่ำใน IC ดิจิทัลนั้นท้าทาย แต่ก็มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เทคนิคต่าง ๆ เช่น การปรับขนาดแรงดันไฟแบบไดนามิก การทำงานในระดับแรงดันต่ำกว่าค่าธรรมดา การปิดแหล่งพลังงานและการปิดสัญญาณนาฬิกา และการปรับค่าแรงดันไฟฟ้าที่เกณฑ์ ช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับการใช้พลังงานให้เหมาะสมที่สุดในขณะที่ยังแก้ไขปัญหาความน่าเชื่อถือได้อีกด้วย เนื่องจากความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำเพิ่มมากขึ้น เทคนิคเหล่านี้จึงมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาการออกแบบ IC ที่ประหยัดพลังงาน ซึ่งช่วยสนับสนุนการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพสูง