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Puissance statique vs dynamique : causes, formules et réduction

La consommation d'un circuit CMOS se divise en puissance dynamique, consommée lors des commutations des signaux, et puissance statique, consommée en permanence même sans commutation. La puissance dynamique provient de la charge et de la décharge des capacités des interconnexions et des grilles, et s'exprime par P = αCV²f. La puissance statique provient des courants de fuite qui traversent notamment les transistors bloqués, et augmente brusquement lorsque la température monte. Avec la miniaturisation, la baisse de la tension d'alimentation et de la tension de seuil a accru la part de la puissance statique.

CritèrePuissance statiquePuissance dynamique
Autre nomPuissance de fuitePuissance de commutation
CauseFuite sous le seuil des transistors bloqués, fuite de grille, fuite de jonction, etc.Charge et décharge de la capacité de charge. Inclut parfois le courant de court-circuit, lorsque le pMOS et le nMOS sont passants en même temps pendant une transition
Formule (indicative)P = V × Ileak (Ileak : courant de fuite)P = αCV²f (α : taux d'activité, C : capacité, V : tension d'alimentation, f : fréquence)
Lorsque le circuit est à l'arrêtConsommée tant que l'alimentation est présenteQuasi nulle si les signaux ne commutent pas
Dépendance à la tension d'alimentationAugmente plus que proportionnellement à la tension, car le courant de fuite lui-même augmente, notamment par DIBLProportionnelle au carré de la tension
Dépendance à la fréquenceQuasi indépendanteProportionnelle à la fréquence
Dépendance à la températureForte. Augmente exponentiellement avec la température, et peut provoquer un emballement thermiqueFaible
Dépendance à la tension de seuilForte. Abaisser le seuil augmente exponentiellement la fuite sous le seuil (environ ×10 pour chaque baisse d'environ 60 à 100 mV à température ambiante)Pas de dépendance directe. Toutefois, un seuil élevé ralentit le circuit
Méthodes de réductionPower gating, transistors à tension de seuil élevée (multi-Vt), baisse de la tension en veille, réduction de la fuite de grille par grille métallique high-kClock gating, DVFS, baisse de la tension d'alimentation, réduction des capacités, réduction du taux d'activité
Évolution avec la miniaturisationLa tension de seuil ayant été abaissée avec la tension d'alimentation, elle a brusquement augmenté jusqu'à une part non négligeable. Elle est contenue par des structures à meilleur contrôle de grille comme le FinFETSelon la loi d'échelle de Dennard, réduire dimensions et tension dans la même proportion maintenait la densité de puissance constante. La tension étant devenue difficile à baisser, la hausse de la densité de puissance est devenue un problème
Situations où elle pèseAppareils à longues périodes de veille, puces fonctionnant à haute températureFonctionnement intense à haute fréquence

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Réduire la puissance statique
Appareils à longues périodes de veille, ou puces fonctionnant à haute température. Le power gating coupe l'alimentation des blocs inutilisés, et des transistors à tension de seuil élevée sont utilisés sur les chemins qui n'ont pas besoin de vitesse.
Réduire la puissance dynamique
Processeurs fonctionnant intensément à haute fréquence. Le clock gating supprime les commutations inutiles, et le DVFS abaisse la tension et la fréquence selon la charge.
Ensemble
Abaisser la tension réduit la puissance dynamique selon le carré, mais le circuit ralentit, le traitement dure plus longtemps et l'énergie de fuite pendant ce temps augmente. Il existe donc une tension qui minimise l'énergie par opération.

Questions fréquentes

Que devient la puissance dynamique si l'on divise la tension d'alimentation par deux ?

Toutes choses égales par ailleurs, elle est proportionnelle au carré de la tension et devient donc 1/4. Toutefois, abaisser la tension ralentit le circuit, qui ne pourra pas forcément fonctionner à la même fréquence.

Pourquoi la puissance statique augmente-t-elle avec la température ?

Parce que la fuite sous le seuil, qui circule en dessous de la tension de seuil, augmente brusquement lorsque la température monte : la distribution d'énergie des porteurs s'élargit et la tension de seuil baisse. Il faut prendre garde au cercle vicieux où l'échauffement accru fait encore monter la température.

Le clock gating réduit-il la puissance statique ?

Presque pas. Arrêter l'horloge supprime les commutations et réduit la puissance dynamique, mais l'alimentation reste connectée et le courant de fuite continue de circuler. Pour réduire aussi les fuites, on utilise le power gating, qui coupe l'alimentation.

Vérifier vos connaissances

Dans l'expression de la consommation dynamique d'un circuit CMOS P = αCV²f, que représente α ?

  1. ALe nombre de transistors
  2. BLa proportion de signaux qui commutent par cycle d'horloge (taux d'activité)
  3. CLa température de la puce
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Réponse : B. La proportion de signaux qui commutent par cycle d'horloge (taux d'activité)

La consommation dynamique est la puissance utilisée pour charger et décharger les capacités des interconnexions et des portes. C est la capacité des parties qui commutent, V la tension d'alimentation, f la fréquence d'horloge, et α le taux d'activité, c'est-à-dire la proportion de signaux qui commutent pendant un cycle d'horloge. Les parties dont les données ne changent pas ou dont l'horloge est arrêtée ne commutent pas : réduire α est donc aussi un moyen important d'économiser l'énergie.

Quelle description de la consommation statique (puissance de fuite) d'un circuit CMOS est correcte ?

  1. AUne puissance qui augmente proportionnellement à la vitesse de l'horloge
  2. BUne puissance consommée en permanence, même sans commutation des signaux, par les courants de fuite traversant notamment les transistors bloqués
  3. CUne puissance utilisée uniquement lors de la fabrication de la puce
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Réponse : B. Une puissance consommée en permanence, même sans commutation des signaux, par les courants de fuite traversant notamment les transistors bloqués

Le transistor n'est pas un interrupteur parfait : même bloqué, il laisse passer de faibles courants de fuite sous le seuil, de fuite de grille, etc. Faibles individuellement, ils représentent une puissance importante sur plusieurs milliards de transistors, et sont devenus significatifs à mesure que la miniaturisation abaissait la tension de seuil. La puissance statique ne diminuant pas quand l'horloge est arrêtée, on y remédie notamment par le power gating, qui coupe l'alimentation elle-même.

Comment évolue la puissance de fuite lorsque la température de la puce augmente, et quel problème peut en résulter ?

  1. AElle augmente brusquement (exponentiellement) avec la température, ce qui accroît l'échauffement et peut entraîner un cercle vicieux de hausse de température (emballement thermique)
  2. BElle diminue quand la température augmente : plus la puce est chaude, plus elle économise l'énergie
  3. CElle est constante, indépendamment de la température
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Réponse : A. Elle augmente brusquement (exponentiellement) avec la température, ce qui accroît l'échauffement et peut entraîner un cercle vicieux de hausse de température (emballement thermique)

Le courant de fuite sous le seuil augmente brusquement avec la température, car la distribution d'énergie des porteurs s'élargit ; il peut augmenter fortement pour environ 10 ℃. Plus de fuite signifie plus d'échauffement, donc une température plus élevée et encore plus de fuite : cette rétroaction positive peut conduire à l'emballement thermique si le refroidissement est insuffisant. On surveille donc la température par des capteurs et l'on applique des contrôles, comme l'abaissement de la fréquence.

  1. Quelle comparaison du clock gating et du power gating est correcte ?
  2. Dans un circuit CMOS, si seule la tension d'alimentation est divisée par deux, toutes choses égales par ailleurs, comment évolue la puissance dynamique ?
  3. Quelle combinaison regroupe les principales composantes du courant de fuite d’un MOSFET à l’état bloqué ?

Questions d'entraînement sur Gestion de l'énergie

Termes clés expliqués

Consommation statique
Puissance consommée en permanence, même sans commutation des signaux, à cause des courants de fuite traversant notamment les transistors bloqués. Aussi appelée puissance de fuite. Elle augmente brusquement avec la température.
Consommation dynamique
Puissance consommée dans un circuit CMOS pour charger et décharger les capacités lors des commutations de signaux. Exprimée par αCV²f, avec le taux d'activité α, la capacité C, la tension V et la fréquence f.
Facteur d'activité
Proportion de commutations d'un signal par cycle d'horloge. C'est le α de la formule de consommation dynamique αCV²f ; on peut le réduire par clock gating, etc.
Coupure d'alimentation (power gating)
Technique basse consommation qui coupe par un interrupteur l'alimentation des blocs inutilisés, supprimant presque aussi la puissance de fuite. Les temps de sauvegarde et de restauration de l'état sont à prendre en compte.
Clock gating
Technique de conception basse consommation qui coupe l'horloge des blocs inutilisés pour réduire la consommation due aux commutations inutiles.

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