정적 전력 vs 동적 전력: 원인·식·온도 의존성·절감 방법 비교

CMOS 회로의 소비 전력은 신호가 전환될 때 쓰는 동적 전력과, 전환되지 않아도 계속 쓰는 정적 전력으로 나뉩니다. 동적 전력은 배선과 게이트 용량의 충전과 방전에 의한 것으로, P = αCV²f로 나타냅니다. 정적 전력은 꺼진 트랜지스터 등을 흐르는 누설 전류에 의한 것으로, 온도가 오르면 급격히 늘어납니다. 미세화로 전원 전압과 문턱 전압이 낮아지면서 정적 전력의 비중이 커졌습니다.

비교 항목정적 전력동적 전력
다른 이름누설 전력스위칭 전력
원인꺼진 트랜지스터의 서브스레숄드 누설, 게이트 누설, 접합 누설 등부하 용량의 충전과 방전. 전환 도중 pMOS와 nMOS가 동시에 켜지는 관통 전류를 포함하기도 합니다
식(기준)P = V × Ileak(Ileak: 누설 전류)P = αCV²f(α: 활동률, C: 용량, V: 전원 전압, f: 주파수)
회로가 멈춰 있을 때전원이 켜져 있는 한 소비됩니다신호가 전환되지 않으면 거의 0
전원 전압에 대한 의존성전압에 비례하는 것 이상으로 늘어납니다. DIBL 등으로 누설 전류 자체도 늘어나기 때문입니다전압의 제곱에 비례합니다
주파수에 대한 의존성거의 의존하지 않습니다주파수에 비례합니다
온도에 대한 의존성강함. 온도에 따라 지수 함수적으로 늘어나며, 열 폭주의 원인도 됩니다약함
문턱 전압에 대한 의존성강함. 문턱 전압을 낮추면 서브스레숄드 누설이 지수 함수적으로 늘어납니다(실온에서 약 60~100 mV 낮출 때마다 약 10배)직접 의존하지 않습니다. 단, 문턱 전압이 높으면 회로가 느려집니다
절감 방법파워 게이팅, 문턱 전압이 높은 트랜지스터(멀티 Vt), 대기 중 전압 낮추기, High-k/메탈 게이트에 의한 게이트 누설 억제클럭 게이팅, DVFS, 전원 전압 낮추기, 용량 줄이기, 활동률 낮추기
스케일링에 따른 변화전원 전압과 함께 문턱 전압을 낮췄기 때문에 급격히 늘어나 무시할 수 없는 비중이 되었습니다. FinFET 등 게이트 제어성이 높은 구조로 억제하고 있습니다데너드 스케일링에서는 치수와 전압을 같은 비율로 줄여 전력 밀도를 일정하게 유지할 수 있었습니다. 전압을 낮추기 어려워지면서 전력 밀도 상승이 문제가 되었습니다
영향이 커지는 상황대기 시간이 긴 기기, 고온에서 동작하는 칩높은 주파수에서 활발히 동작할 때

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

정적 전력 줄이기
대기 시간이 긴 기기나 고온에서 동작하는 칩. 파워 게이팅으로 쓰지 않는 블록의 전원을 끄고, 속도가 필요 없는 경로에는 문턱 전압이 높은 트랜지스터를 씁니다.
동적 전력 줄이기
높은 주파수에서 활발히 동작하는 프로세서. 클럭 게이팅으로 불필요한 전환을 멈추고, DVFS로 부하에 따라 전압과 주파수를 낮춥니다.
조합
전압을 낮추면 동적 전력은 제곱으로 줄지만, 회로가 느려져 처리 시간이 늘어나고 그동안의 누설 에너지가 늘어납니다. 그래서 1회 연산의 에너지가 최소가 되는 전압이 존재합니다.

자주 묻는 질문

전원 전압을 절반으로 하면 동적 전력은 어떻게 되나요?

다른 조건이 같다면 전압의 제곱에 비례하므로 1/4이 됩니다. 단, 전압을 낮추면 회로가 느려지므로 같은 주파수로 동작시킬 수 있다고는 할 수 없습니다.

온도가 오르면 정적 전력이 늘어나는 이유는 무엇인가요?

문턱 전압 이하에서 흐르는 서브스레숄드 누설은 온도가 오르면 캐리어 에너지 분포가 넓어지고 문턱 전압도 낮아지므로 급격히 늘어나기 때문입니다. 발열이 늘어 온도가 더 오르는 악순환에 주의해야 합니다.

클럭 게이팅으로 정적 전력이 줄어드나요?

거의 줄지 않습니다. 클럭을 멈추면 전환이 없어져 동적 전력은 줄지만, 전원은 연결된 채이므로 누설 전류는 계속 흐릅니다. 누설까지 줄이려면 전원을 끄는 파워 게이팅을 사용합니다.

이해도 확인

CMOS 회로의 동적 소비 전력식 P = αCV²f에서 α가 나타내는 것으로 올바른 것은?

  1. A트랜지스터의 수
  2. B1클록당 신호가 전환되는 비율(활동률)
  3. C칩의 온도
정답과 해설 보기

정답: B. 1클록당 신호가 전환되는 비율(활동률)

동적 소비 전력은 배선이나 게이트의 용량을 충전하고 방전할 때 사용되는 전력입니다. C는 전환되는 부분의 용량, V는 전원 전압, f는 클록 주파수이며, α는 1클록 동안 신호가 어느 정도의 비율로 전환되는지를 나타내는 활동률입니다. 데이터가 변하지 않는 부분이나 클록을 멈춘 부분은 전환되지 않으므로, α를 작게 하는 것도 중요한 저전력 수단입니다.

CMOS 회로의 정적 소비 전력(리크 전력)에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A클록이 빠를수록 비례하여 커지는 전력
  2. B신호가 전환되지 않아도 오프 상태 트랜지스터 등을 흐르는 누설 전류로 인해 계속 소비되는 전력
  3. C칩을 제조할 때만 사용되는 전력
정답과 해설 보기

정답: B. 신호가 전환되지 않아도 오프 상태 트랜지스터 등을 흐르는 누설 전류로 인해 계속 소비되는 전력

트랜지스터는 완전한 스위치가 아니어서 오프일 때도 서브스레숄드 누설 전류나 게이트 누설 전류 등이 조금씩 흐릅니다. 하나는 작아도 수십억 개의 트랜지스터에서는 큰 전력이 되며, 미세화로 문턱 전압이 낮아짐에 따라 두드러지게 되었습니다. 정적 전력은 클록을 멈춰도 줄지 않으므로 전원 자체를 끊는 파워 게이팅 등으로 대처합니다.

칩의 온도가 오르면 리크 전력은 어떻게 변하며, 그로 인해 일어날 수 있는 문제는 무엇입니까?

  1. A온도와 함께 급격히(지수함수적으로) 늘어나며, 발열이 늘어 온도가 더 오르는 악순환(열 폭주)으로 이어질 수 있다
  2. B온도가 오르면 줄어들므로 뜨거울수록 저전력이 된다
  3. C온도와 관계없이 일정하다
정답과 해설 보기

정답: A. 온도와 함께 급격히(지수함수적으로) 늘어나며, 발열이 늘어 온도가 더 오르는 악순환(열 폭주)으로 이어질 수 있다

서브스레숄드 누설 전류는 온도가 오르면 캐리어의 에너지 분포가 넓어져 급격히 늘어나며, 기준으로 10℃ 정도에서 크게 증가하기도 합니다. 누설이 늘면 발열이 늘고, 온도가 더 올라 누설이 늘어나는 정귀환이 일어나므로, 냉각이 불충분하면 열 폭주에 이를 우려가 있습니다. 그래서 온도 센서로 감시하여 주파수를 낮추는 등의 제어가 이루어집니다.

  1. 클록 게이팅과 파워 게이팅을 비교한 설명으로 올바른 것은?
  2. CMOS 회로에서 다른 조건은 바꾸지 않고 전원 전압만 절반으로 하면 동적 소비 전력은 어떻게 되는가?
  3. MOSFET이 꺼진 상태에서 흐르는 누설 전류의 주된 성분의 조합으로 올바른 것은 무엇입니까?

전력 관리 문제 풀기

주요 용어 설명

정적 소비 전력(Static Power)
신호가 전환되지 않아도 오프 상태 트랜지스터 등을 흐르는 누설 전류 때문에 계속 소비되는 전력. 누설 전력이라고도 한다. 온도에 따라 급격히 증가한다.
동적 소비 전력(dynamic power)
CMOS 회로에서 신호가 전환될 때 용량을 충전·방전하느라 쓰이는 전력. 활동률 α, 용량 C, 전압 V, 주파수 f를 사용해 αCV²f로 나타낸다.
활동률(Activity Factor)
회로 신호가 1클록당 전환되는 비율. 동적 소비 전력 식 αCV²f의 α. 클록 게이팅 등으로 줄일 수 있다.
파워 게이팅(Power Gating)
사용하지 않는 회로 블록으로의 전원 공급을 스위치로 끊어 누설 전력도 거의 없애는 저전력 기법. 상태의 저장과 복귀 시간에 주의가 필요하다.
클록 게이팅(Clock Gating)
사용하지 않는 회로 블록에 대한 클록 공급을 멈추어 불필요한 스위칭에 의한 소비 전력을 줄이는 저전력 설계 기법.

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