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.
Japanse benaming: 動的消費電力
“Dynamisch vermogen (dynamic power)” komt voor in 2 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Energiebeheer (softwaregestuurd).
Vakgebied: Energiebeheer (softwaregestuurd)
Elke uitgang van een CMOS-poort stuurt een belastingscapaciteit aan, gevormd door bedrading en de poorten die erop zijn aangesloten. Als de uitgang stijgt, levert de voeding een energie van CV²: de helft wordt op de condensator opgeslagen en de helft wordt in de pull-uptransistors gedissipeerd. Als de uitgang daalt, wordt de opgeslagen helft via de pull-down naar massa afgevoerd. Vermenigvuldigen met hoe vaak dit gebeurt geeft het dynamisch vermogen, P = αCV²f, waarbij α de activiteitsfactor is: het deel van de capaciteit dat per klokcyclus schakelt. Sommige teksten schrijven ½αCV²f en tellen elke flank als overgang, dus controleer de conventie voordat je α-waarden vergelijkt.
Door de term V² is de spanning de sterkste hefboom: 10% minder voedingsspanning verlaagt het dynamisch vermogen met ongeveer 19%, en halveren laat een kwart over. Frequentie werkt anders. Halveren van f halveert het vermogen, maar een vaste taak duurt twee keer zo lang, dus de energie voor de taak blijft gelijk; de energie per schakelgebeurtenis wordt bepaald door CV². f verlagen is waardevol omdat de schakeling dan correct op een lagere spanning kan werken. Als de spanning evenredig met de frequentie omlaag kan, verlaagt het halveren van beide het vermogen tot een achtste en de taakenergie tot een kwart; dat is de basis van dynamic voltage and frequency scaling (DVFS).
Omdat logica die niet schakelt geen dynamisch vermogen verbruikt, is het verlagen van α een belangrijk ontwerpmiddel. Het kloknetwerk schakelt elke cyclus, dus clock gating, dat de klok stopt naar registers en blokken waarvan de waarden niet zullen veranderen, verwijdert het schakelen in zowel de flipflops als de klokbedrading. De capaciteit daalt met kleinere transistors, kortere draden en low-k-diëlektrica. Een rekenvoorbeeld: α = 0,1, C = 1 nF, V = 1 V en f = 1 GHz geeft 0,1 W.
Dynamisch vermogen is maar een deel van het totaal. Kortsluitstroom (crowbar current) loopt terwijl beide transistors tijdens een ingangsovergang gedeeltelijk geleiden; bij steile flanken is die ongeveer een tiende van het dynamisch vermogen of minder. Lekstroom, oftewel statisch vermogen, loopt zolang de schakeling gevoed is, dus clock gating vermindert het niet en is in plaats daarvan power gating nodig, dat de voeding van inactieve blokken afsluit. Lekstroom verklaart ook waarom spanningsverlaging op een gegeven moment niet meer loont: rond of net onder de drempelspanning worden schakelingen zo traag dat de lekenergie per bewerking stijgt, waardoor er een spanning met minimale energie ontstaat.
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.
Antwoord: A. Vrijwel geen verandering (het vermogen wordt gehalveerd, maar het duurt twee keer zo lang)
Dynamisch vermogen is evenredig met f, dus bij halvering van de frequentie wordt ook het vermogen gehalveerd. Dezelfde berekening duurt echter twee keer zo lang, zodat de energie, het product van vermogen en tijd, niet verandert. De energie per schakeling wordt namelijk bepaald door CV². Om energie te verlagen moet de spanning omlaag; de frequentie wordt verlaagd om bij een lagere spanning nog correct te kunnen werken.
Het dynamisch vermogen is P = αCV²f, met α de activiteitsfactor, C de geschakelde capaciteit, V de voedingsspanning en f de klokfrequentie. Het ontstaat door het herhaald op- en ontladen van belastingscapaciteit.
Het vermogen hangt af van het kwadraat van de spanning, maar slechts lineair van de frequentie, en alleen de frequentie verlagen verandert de energie die nodig is om een taak af te ronden niet. Spanningsverlaging verlaagt de energie van elke schakelgebeurtenis en bespaart dus zowel vermogen als energie.
Clock gating stopt de klok naar inactieve logica, wat het dynamisch vermogen ervan wegneemt maar de lekstroom laat bestaan. Power gating koppelt het blok met een schakeltransistor los van de voeding, waardoor ook vrijwel alle lekstroom verdwijnt, ten koste van het verlies van de toestand en de tijd die nodig is om weer op te starten.
Dynamisch vermogen is het vermogen dat wordt gebruikt bij het op- en ontladen van de capaciteiten van bedrading en gates.
Wat stelt α voor in de formule voor het dynamisch vermogens…Dynamisch vermogen is evenredig met f, dus bij halvering van de frequentie wordt ook het vermogen gehalveerd.
De voedingsspanning blijft gelijk en alleen de klokfrequent…CMOS Activiteitsfactor (switching activity) ACPI Adaptive voltage scaling (AVS) Break-even time C-state Energy-delay product (EDP) Inschakelstroom (inrush current) Isolatiecel (isolation cell) Level shifter