Nederlands
Menu

Statisch versus dynamisch vermogen: oorzaak, formule, temperatuur en reductie

Het vermogensverbruik van CMOS-schakelingen bestaat uit dynamisch vermogen, dat wordt verbruikt wanneer signalen schakelen, en statisch vermogen, dat ook zonder schakelen wordt verbruikt. Dynamisch vermogen komt van het laden en ontladen van de capaciteit van interconnect en gates en wordt uitgedrukt als P = αCV²f. Statisch vermogen komt van lekstromen door onder meer uitgeschakelde transistors en neemt sterk toe als de temperatuur stijgt. Doordat de voedingsspanning en de drempelspanning met de schaalverkleining daalden, werd het aandeel van het statische vermogen groter.

KenmerkStatisch vermogenDynamisch vermogen
Andere naamLekvermogenSchakelvermogen
OorzaakSubthreshold-lekstroom van uitgeschakelde transistors, gatelekstroom, junctielekstroom enzovoortLaden en ontladen van de lastcapaciteit. Soms wordt ook de kortsluitstroom meegerekend die loopt doordat pMOS en nMOS tijdens het omschakelen tegelijk aan zijn
Indicatieve formuleP = V × Ileak (Ileak: lekstroom)P = αCV²f (α: activiteitsfactor, C: capaciteit, V: voedingsspanning, f: frequentie)
Als de schakeling stilstaatWordt verbruikt zolang de voeding aanstaatVrijwel nul als er geen signalen schakelen
Afhankelijkheid van de voedingsspanningNeemt sterker dan evenredig met de spanning toe, omdat de lekstroom zelf ook toeneemt door onder meer DIBLEvenredig met het kwadraat van de spanning
Afhankelijkheid van de frequentieVrijwel onafhankelijkEvenredig met de frequentie
Afhankelijkheid van de temperatuurSterk. Neemt exponentieel toe met de temperatuur en kan ook thermal runaway veroorzakenZwak
Afhankelijkheid van de drempelspanningSterk. Een lagere drempelspanning laat de subthreshold-lekstroom exponentieel toenemen (bij kamertemperatuur ongeveer 10 keer per ongeveer 60 tot 100 mV verlaging)Niet direct afhankelijk. Wel wordt de schakeling trager bij een hoge drempelspanning
ReductiemethodenPower gating, transistors met hoge drempelspanning (multi-Vt), verlaagde spanning in standby, beperken van gatelekstroom met high-k/metal gateClock gating, DVFS, lagere voedingsspanning, minder capaciteit, lagere activiteitsfactor
Verandering door schaalverkleiningNam sterk toe doordat de drempelspanning samen met de voedingsspanning werd verlaagd, en werd een niet te verwaarlozen aandeel. Wordt beperkt met structuren met betere gatecontrole zoals FinFETBij Dennard-scaling bleef de vermogensdichtheid constant door afmetingen en spanning met dezelfde factor te verkleinen. Toen de spanning moeilijk verder omlaag kon, werd de stijgende vermogensdichtheid een probleem
Wanneer het zwaar weegtApparaten met lange standbytijd, chips die bij hoge temperatuur werkenBij actief werken op hoge frequentie

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Statisch vermogen verlagen
Apparaten met lange standbytijd en chips die bij hoge temperatuur werken. Met power gating wordt de voeding van ongebruikte blokken uitgeschakeld, en voor paden die niet snel hoeven te zijn worden transistors met hoge drempelspanning gebruikt.
Dynamisch vermogen verlagen
Processors die actief op hoge frequentie werken. Clock gating stopt onnodig schakelen en DVFS verlaagt spanning en frequentie naargelang de belasting.
Combinatie
Een lagere spanning verlaagt het dynamische vermogen kwadratisch, maar de schakeling wordt trager, de verwerkingstijd langer en de lekenergie in die tijd neemt toe. Daarom bestaat er een spanning waarbij de energie per bewerking minimaal is.

Veelgestelde vragen

Wat gebeurt er met het dynamische vermogen als de voedingsspanning halveert?

Bij verder gelijke condities wordt het 1/4, omdat het evenredig is met het kwadraat van de spanning. Een lagere spanning maakt de schakeling echter trager, dus het is niet gezegd dat ze op dezelfde frequentie kan werken.

Waarom neemt het statische vermogen toe als de temperatuur stijgt?

Omdat de subthreshold-lekstroom, die onder de drempelspanning loopt, sterk toeneemt: bij hogere temperatuur wordt de energieverdeling van de ladingsdragers breder en daalt ook de drempelspanning. Let op de vicieuze cirkel waarin meer warmte de temperatuur verder laat stijgen.

Vermindert clock gating het statische vermogen?

Nauwelijks. Door de klok te stoppen verdwijnt het schakelen en daalt het dynamische vermogen, maar de voeding blijft aangesloten, dus de lekstroom blijft lopen. Om ook de lekstroom te verminderen wordt power gating gebruikt, waarbij de voeding wordt uitgeschakeld.

Test uw begrip

Wat stelt α voor in de formule voor het dynamisch vermogensverbruik van CMOS-schakelingen, P = αCV²f?

  1. AHet aantal transistors
  2. BHet aandeel signalen dat per klokcyclus schakelt (activiteitsfactor)
  3. CDe temperatuur van de chip
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Het aandeel signalen dat per klokcyclus schakelt (activiteitsfactor)

Dynamisch vermogen is het vermogen dat wordt gebruikt bij het op- en ontladen van de capaciteiten van bedrading en gates. C is de capaciteit van de schakelende delen, V de voedingsspanning en f de klokfrequentie, en α is de activiteitsfactor die aangeeft welk deel van de signalen tijdens één klokcyclus schakelt. Delen waarvan de gegevens niet veranderen en delen waarvan de klok is stopgezet, schakelen niet, dus het verkleinen van α is ook een belangrijk middel om vermogen te besparen.

Welke uitspraak over het statisch vermogensverbruik (lekvermogen) van CMOS-schakelingen is juist?

  1. AVermogen dat evenredig toeneemt naarmate de klok sneller is
  2. BVermogen dat ook zonder schakelende signalen wordt verbruikt door lekstromen, bijvoorbeeld door uitgeschakelde transistors
  3. CVermogen dat alleen bij de productie van de chip wordt gebruikt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Vermogen dat ook zonder schakelende signalen wordt verbruikt door lekstromen, bijvoorbeeld door uitgeschakelde transistors

Een transistor is geen perfecte schakelaar, en ook in uitgeschakelde toestand vloeien kleine subthreshold-lekstromen en gate-lekstromen. Eén is klein, maar bij miljarden transistors wordt het een groot vermogen, en het is door de verlaging van de drempelspanning bij verdere miniaturisering steeds meer gaan opvallen. Statisch vermogen neemt niet af als de klok wordt stopgezet, dus er worden maatregelen genomen zoals power gating, waarbij de voeding zelf wordt uitgeschakeld.

Hoe verandert het lekvermogen wanneer de temperatuur van de chip stijgt, en welk probleem kan daardoor ontstaan?

  1. AHet neemt sterk (exponentieel) toe met de temperatuur, wat kan leiden tot een vicieuze cirkel waarin meer warmte de temperatuur verder verhoogt (thermal runaway)
  2. BHet neemt af bij stijgende temperatuur, dus hoe heter, hoe zuiniger
  3. CHet is constant, onafhankelijk van de temperatuur
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Het neemt sterk (exponentieel) toe met de temperatuur, wat kan leiden tot een vicieuze cirkel waarin meer warmte de temperatuur verder verhoogt (thermal runaway)

De subthreshold-lekstroom neemt sterk toe bij stijgende temperatuur doordat de energieverdeling van de ladingdragers breder wordt, en kan als vuistregel per ca. 10 °C sterk toenemen. Meer lek geeft meer warmte, waardoor de temperatuur verder stijgt en het lek nog toeneemt; deze positieve terugkoppeling kan bij onvoldoende koeling tot thermal runaway leiden. Daarom wordt met temperatuursensoren gemonitord en wordt bijvoorbeeld de frequentie verlaagd.

  1. Welke vergelijking tussen clock gating en power gating is juist?
  2. Wat gebeurt er met het dynamische vermogensverbruik van een CMOS-schakeling als alleen de voedingsspanning wordt gehalveerd en de overige omstandigheden gelijk blijven?
  3. Welke combinatie van hoofdcomponenten van de lekstroom die in de uit-toestand van een MOSFET loopt is juist?

Oefenvragen over Energiebeheer (softwaregestuurd)

Belangrijke termen uitgelegd

Statisch vermogen
Vermogen dat ook zonder schakelende signalen blijft worden verbruikt door lekstroom, bijvoorbeeld door uitgeschakelde transistors. Ook lekvermogen genoemd. Neemt sterk toe met de temperatuur.
Dynamisch vermogen (dynamic power)
Vermogen dat in CMOS-schakelingen wordt gebruikt om capaciteiten op en te ontladen wanneer signalen schakelen. Uitgedrukt als αCV²f met activiteitsfactor α, capaciteit C, spanning V en frequentie f.
Activiteitsfactor (switching activity)
Aandeel van de klokcycli waarin een signaal in een circuit schakelt. De α in de formule voor dynamisch vermogen αCV²f. Kan worden verkleind met onder meer clock gating.
Power gating
Energiebesparende methode waarbij de voeding naar ongebruikte schakelingsblokken met een schakelaar wordt afgesneden, zodat ook het lekvermogen vrijwel verdwijnt. Er moet rekening worden gehouden met de tijd voor opslaan en herstellen van de toestand.
Clock gating
Laagvermogen-ontwerptechniek waarbij de klok naar ongebruikte circuitblokken wordt stopgezet om onnodig schakelvermogen te beperken.

Verwante vergelijkingen