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.
Nom japonais: 動的消費電力
« Consommation dynamique » apparaît dans 5 questions d'entraînement réparties sur 3 thèmes, dont Gestion de l'énergie, MOSFET, Flot de conception de circuits intégrés et EDA.
Domaine: Gestion de l'énergie
Chaque sortie de porte CMOS pilote une capacité de charge constituée des interconnexions et des portes qu'elle alimente. Lorsque la sortie monte, l'alimentation fournit une énergie CV² : la moitié est stockée dans le condensateur et l'autre moitié dissipée dans les transistors de pull-up. Lorsque la sortie descend, la moitié stockée est évacuée vers la masse à travers le pull-down. En multipliant par la fréquence de ces événements, on obtient la consommation dynamique, P = αCV²f, où α est le facteur d'activité, la fraction de la capacité qui commute par cycle d'horloge. Certains ouvrages écrivent ½αCV²f et comptent chaque front comme une transition ; vérifiez donc la convention avant de comparer des valeurs de α.
En raison du terme V², la tension est le levier le plus puissant : une réduction de 10 % de l'alimentation diminue la consommation dynamique d'environ 19 %, et la diviser par deux en laisse un quart. La fréquence est différente. Diviser f par deux divise la puissance par deux, mais une tâche donnée prend deux fois plus de temps, si bien que l'énergie de la tâche est inchangée ; l'énergie par commutation est fixée par CV². Abaisser f est utile parce que cela permet au circuit de fonctionner correctement à une tension plus basse. Si la tension peut baisser proportionnellement à la fréquence, diviser les deux par deux ramène la puissance à un huitième et l'énergie de la tâche à un quart, ce qui est le principe de l'ajustement dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS).
Comme une logique qui ne commute pas ne consomme aucune puissance dynamique, réduire α est un outil de conception majeur. Le réseau d'horloge commute à chaque cycle ; le clock gating, qui coupe l'horloge des registres et des blocs dont les valeurs ne changeront pas, supprime donc la commutation à la fois dans les bascules et dans le câblage d'horloge. La capacité diminue avec des transistors plus petits, des interconnexions plus courtes et des diélectriques low-k. Exemple chiffré : α = 0,1, C = 1 nF, V = 1 V et f = 1 GHz donnent 0,1 W.
La consommation dynamique n'est qu'une partie du total. Un courant de court-circuit (crowbar) circule lorsque les deux transistors sont partiellement passants pendant une transition d'entrée ; avec des fronts raides, il représente environ un dixième de la consommation dynamique ou moins. Les fuites, ou consommation statique, circulent dès que le circuit est alimenté ; le clock gating ne les réduit donc pas, et il faut recourir au power gating, qui coupe l'alimentation des blocs inactifs. Les fuites expliquent aussi pourquoi abaisser la tension cesse d'être rentable : au voisinage du seuil ou légèrement en dessous, les circuits ralentissent tellement que l'énergie de fuite par opération augmente, ce qui crée une tension d'énergie minimale.
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.
Réponse : B. 0,1 W
En substituant les valeurs dans P = αCV²f : 0,1 × 1×10⁻⁹ F × (1 V)² × 1×10⁹ Hz = 0,1 W. Le nano (10⁻⁹) de la capacité et le giga (10⁹) de la fréquence se compensent, ce qui simplifie le calcul. Dans une puce réelle, la capacité commutée croît proportionnellement à la taille du circuit, et la consommation dynamique totale peut atteindre quelques dizaines à quelques centaines de W.
La consommation dynamique vaut P = αCV²f, où α est le facteur d'activité, C la capacité commutée, V la tension d'alimentation et f la fréquence d'horloge. Elle provient de la charge et de la décharge répétées de la capacité de charge.
La puissance dépend du carré de la tension mais seulement linéairement de la fréquence, et réduire la fréquence seule ne change pas l'énergie nécessaire pour achever une tâche. Réduire la tension diminue l'énergie de chaque commutation ; elle économise donc à la fois puissance et énergie.
Le clock gating coupe l'horloge de la logique inactive, ce qui supprime sa consommation dynamique mais laisse subsister les fuites. Le power gating déconnecte le bloc de son alimentation par un transistor interrupteur, ce qui élimine aussi la quasi-totalité des fuites, au prix de la perte de l'état et d'un temps de réveil.
La consommation dynamique est la puissance utilisée pour charger et décharger les capacités des interconnexions et des portes.
Dans l'expression de la consommation dynamique d'un circuit…Dans une puce réelle, la capacité commutée croît proportionnellement à la taille du circuit, et la consommation dynamique totale peut atteindre quelques dizaines à quelques centaines de W.
Quelle est la consommation dynamique d'un circuit avec un t…La consommation dynamique étant proportionnelle au carré de la tension, multiplier la tension par 0,9 multiplie la puissance par 0,9² = 0,81, soit une baisse d'environ 19 %.
Si l'on abaisse uniquement la tension d'alimentation de 10 …Avec des transitions rapides, il reste inférieur à environ 10% de la consommation dynamique totale.
Dans un inverseur CMOS, comment s’appelle le courant qui ci…Le clock gating arrête l'horloge des blocs dont le fonctionnement n'est pas nécessaire, supprimant les commutations inutiles des bascules et du réseau d'horloge pour réduire la consommation dynamique.
Quelle technique de conception basse consommation arrête l'…CMOS DVFS (ajustement dynamique de la tension et de la fréquence) Clock gating Synthèse logique Coupure d'alimentation (power gating) ACPI Ajustement adaptatif de la tension Auto-rafraîchissement (self-refresh) Bridage thermique (thermal throttling) C-state