Deutsch
Menü

Statische vs. dynamische Verlustleistung: Ursachen und Senkung

Die Leistungsaufnahme von CMOS-Schaltungen teilt sich in die dynamische Verlustleistung, die beim Umschalten von Signalen anfällt, und die statische Verlustleistung, die auch ohne Umschalten ständig verbraucht wird. Die dynamische Verlustleistung entsteht durch das Laden und Entladen der Kapazitäten von Leitungen und Gates und wird durch P = αCV²f beschrieben. Die statische Verlustleistung entsteht durch Leckströme, etwa durch ausgeschaltete Transistoren, und steigt mit der Temperatur stark an. Da mit der Skalierung Versorgungs- und Schwellenspannung sanken, wurde der Anteil der statischen Verlustleistung größer.

MerkmalStatische VerlustleistungDynamische Verlustleistung
Andere BezeichnungLeckleistungSchaltleistung
UrsacheSubthreshold-Leckstrom ausgeschalteter Transistoren, Gate-Leckstrom, Sperrschicht-Leckstrom usw.Laden und Entladen der Lastkapazität. Mitunter wird auch der Querstrom einbezogen, der fließt, wenn pMOS und nMOS beim Umschalten gleichzeitig leiten
Formel (Richtwert)P = V × Ileak (Ileak: Leckstrom)P = αCV²f (α: Aktivitätsfaktor, C: Kapazität, V: Versorgungsspannung, f: Frequenz)
Bei ruhender SchaltungWird verbraucht, solange die Versorgung anliegtNahezu null, wenn keine Signale umschalten
Abhängigkeit von der VersorgungsspannungSteigt stärker als proportional zur Spannung, da auch der Leckstrom selbst steigt, etwa durch DIBLProportional zum Quadrat der Spannung
Abhängigkeit von der FrequenzNahezu unabhängigProportional zur Frequenz
Abhängigkeit von der TemperaturStark. Steigt exponentiell mit der Temperatur und kann auch thermisches Durchgehen verursachenSchwach
Abhängigkeit von der SchwellenspannungStark. Eine niedrigere Schwelle lässt den Subthreshold-Leckstrom exponentiell steigen (bei Raumtemperatur etwa Faktor 10 je etwa 60–100 mV Absenkung)Keine direkte Abhängigkeit. Eine hohe Schwelle macht die Schaltung jedoch langsamer
GegenmaßnahmenPower Gating, Transistoren mit hoher Schwellenspannung (Multi-Vt), Absenken der Spannung im Standby, Unterdrückung des Gate-Leckstroms durch High-k/Metal-GateClock Gating, DVFS, Absenken der Versorgungsspannung, Verringern der Kapazität, Senken des Aktivitätsfaktors
Veränderung durch SkalierungDa die Schwellenspannung zusammen mit der Versorgungsspannung gesenkt wurde, stieg sie stark an und erreichte einen nicht mehr vernachlässigbaren Anteil. Strukturen mit besserer Gate-Kontrolle wie FinFET halten sie in GrenzenBei der Dennard-Skalierung ließ sich die Leistungsdichte konstant halten, indem Abmessungen und Spannung im gleichen Verhältnis verkleinert wurden. Als sich die Spannung kaum noch senken ließ, wurde die steigende Leistungsdichte zum Problem
Wann sie ins Gewicht fälltGeräte mit langen Standby-Zeiten, Chips, die bei hoher Temperatur arbeitenBei hoher Frequenz und starker Aktivität

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Statische Verlustleistung senken
Geräte mit langen Standby-Zeiten oder Chips, die bei hoher Temperatur arbeiten. Mit Power Gating wird die Versorgung ungenutzter Blöcke abgeschaltet, und für Pfade ohne Geschwindigkeitsanforderung werden Transistoren mit hoher Schwellenspannung verwendet.
Dynamische Verlustleistung senken
Prozessoren, die bei hoher Frequenz stark aktiv sind. Clock Gating stoppt unnötige Umschaltvorgänge, und DVFS senkt Spannung und Frequenz je nach Last.
Kombination
Eine niedrigere Spannung senkt die dynamische Verlustleistung quadratisch, macht die Schaltung aber langsamer; die Verarbeitungszeit verlängert sich, und die in dieser Zeit verbrauchte Leckenergie steigt. Daher gibt es eine Spannung, bei der die Energie pro Rechenoperation minimal wird.

Häufige Fragen

Was passiert mit der dynamischen Verlustleistung, wenn die Versorgungsspannung halbiert wird?

Bei sonst gleichen Bedingungen sinkt sie auf 1/4, da sie proportional zum Quadrat der Spannung ist. Eine niedrigere Spannung macht die Schaltung jedoch langsamer, sodass sie nicht unbedingt mit derselben Frequenz betrieben werden kann.

Warum steigt die statische Verlustleistung mit der Temperatur?

Weil beim Subthreshold-Leckstrom, der unterhalb der Schwelle fließt, mit steigender Temperatur die Energieverteilung der Ladungsträger breiter wird und zugleich die Schwellenspannung sinkt; dadurch steigt er stark an. Zu beachten ist der Teufelskreis, in dem mehr Wärme die Temperatur weiter erhöht.

Senkt Clock Gating die statische Verlustleistung?

Kaum. Wird der Takt angehalten, entfallen die Umschaltvorgänge und die dynamische Verlustleistung sinkt, doch die Versorgung bleibt angeschlossen, sodass weiterhin Leckstrom fließt. Um auch die Leckströme zu senken, wird Power Gating eingesetzt, das die Versorgung abschaltet.

Verständnis prüfen

In der Formel für die dynamische Verlustleistung von CMOS-Schaltungen, P = αCV²f, was stellt α dar?

  1. ADie Zahl der Transistoren
  2. BDen Anteil der Signale, die pro Takt umschalten (Aktivitätsfaktor)
  3. CDie Chiptemperatur
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Den Anteil der Signale, die pro Takt umschalten (Aktivitätsfaktor)

Die dynamische Verlustleistung ist die Leistung, die beim Laden und Entladen der Kapazitäten von Leitungen und Gates verbraucht wird. C ist die umgeschaltete Kapazität, V die Versorgungsspannung, f die Taktfrequenz, und α ist der Aktivitätsfaktor, der angibt, welcher Anteil der Signale innerhalb eines Takts umschaltet. Teile, in denen sich die Daten nicht ändern, oder Teile mit angehaltenem Takt schalten nicht um; ein kleineres α ist daher ebenfalls ein wichtiges Mittel zur Leistungsreduzierung.

Welche Aussage zur statischen Verlustleistung (Leckleistung) von CMOS-Schaltungen ist richtig?

  1. AEine Leistung, die proportional mit schnellerem Takt größer wird
  2. BEine Leistung, die auch ohne Signalwechsel durch Leckströme etwa durch ausgeschaltete Transistoren fortlaufend verbraucht wird
  3. CEine Leistung, die nur bei der Herstellung des Chips verbraucht wird
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: B. Eine Leistung, die auch ohne Signalwechsel durch Leckströme etwa durch ausgeschaltete Transistoren fortlaufend verbraucht wird

Transistoren sind keine vollkommenen Schalter, und auch im ausgeschalteten Zustand fließen geringfügig Unterschwellenstrom, Gate-Leckstrom u. Ä. Einzeln klein, ergibt sich bei mehreren Milliarden Transistoren eine große Leistung, die mit sinkender Einsatzspannung durch die Miniaturisierung deutlicher wurde. Die statische Leistung sinkt auch bei angehaltenem Takt nicht; als Gegenmaßnahme dient z. B. Power Gating, das die Versorgung selbst abschaltet.

Wie ändert sich die Leckleistung, wenn die Chiptemperatur steigt, und welches Problem kann dadurch entstehen?

  1. ASie nimmt mit der Temperatur stark (exponentiell) zu und kann zu einem Teufelskreis führen, in dem mehr Wärme die Temperatur weiter erhöht (Thermal Runaway)
  2. BSie sinkt mit steigender Temperatur, sodass es bei Hitze stromsparender ist
  3. CSie ist unabhängig von der Temperatur konstant
Antwort und Erläuterung anzeigen

Antwort: A. Sie nimmt mit der Temperatur stark (exponentiell) zu und kann zu einem Teufelskreis führen, in dem mehr Wärme die Temperatur weiter erhöht (Thermal Runaway)

Der Unterschwellen-Leckstrom nimmt mit steigender Temperatur stark zu, weil sich die Energieverteilung der Ladungsträger verbreitert; als Richtwert kann er sich bei etwa 10 °C deutlich erhöhen. Mehr Leckstrom bedeutet mehr Wärme, die Temperatur steigt weiter, und der Leckstrom wächst – eine positive Rückkopplung, die bei unzureichender Kühlung zu Thermal Runaway führen kann. Daher wird die Temperatur mit Sensoren überwacht und z. B. die Frequenz gesenkt.

  1. Welche Aussage zum Vergleich von Clock Gating und Power Gating ist richtig?
  2. Wie ändert sich in einer CMOS-Schaltung die dynamische Leistungsaufnahme, wenn bei sonst unveränderten Bedingungen nur die Versorgungsspannung halbiert wird?
  3. Welche Kombination nennt die Hauptkomponenten des Leckstroms eines sperrenden MOSFETs richtig?

Übungsfragen zu Energieverwaltung (softwaregesteuert)

Wichtige Begriffe erklärt

Statische Leistungsaufnahme
Leistung, die auch ohne Signalwechsel durch Leckströme, z. B. durch gesperrte Transistoren, ständig verbraucht wird. Auch Leckleistung genannt. Sie steigt mit der Temperatur stark an.
Dynamische Verlustleistung
Leistung, die in CMOS-Schaltungen beim Schalten der Signale zum Laden und Entladen von Kapazitäten verbraucht wird. Mit Aktivitätsfaktor α, Kapazität C, Spannung V und Frequenz f gilt αCV²f.
Aktivitätsfaktor
Anteil, mit dem Signale einer Schaltung pro Takt umschalten. Das α in der Formel der dynamischen Verlustleistung αCV²f. Er lässt sich z. B. durch Clock-Gating verringern.
Power Gating
Stromsparverfahren, bei dem die Versorgung ungenutzter Schaltungsblöcke per Schalter getrennt wird und damit auch die Leckleistung nahezu entfällt. Zeit für Zustandssicherung und Wiederherstellung ist zu beachten.
Clock-Gating
Methode des Low-Power-Entwurfs, bei der die Taktzufuhr zu ungenutzten Schaltungsblöcken gestoppt wird, um die Leistungsaufnahme durch unnötiges Schalten zu senken.

Verwandte Vergleiche