Vermogen dat ook zonder schakelende signalen blijft worden verbruikt door lekstroom, bijvoorbeeld door uitgeschakelde transistors. Ook lekvermogen genoemd. Neemt sterk toe met de temperatuur.
Japanse benaming: 静的消費電力
“Statisch vermogen” komt voor in 2 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Energiebeheer (softwaregestuurd).
Vakgebied: Energiebeheer (softwaregestuurd)
Een ideale CMOS-poort trekt in rust geen stroom, omdat er tussen voeding en massa altijd één transistor uit staat. Echte transistors lekken. De grootste component is meestal subthreshold-lekstroom: onder de drempelspanning daalt de drainstroom exponentieel met de gatespanning, in het beste geval met een factor tien per ongeveer 60 mV bij kamertemperatuur, dus de drempelspanning verlagen voor snelheid verhoogt de stroom in uitgeschakelde toestand sterk. Gatelekstroom tunnelt door zeer dunne gatediëlektrica en werd verminderd door over te stappen op high-k-materialen, en junctielekstroom en gate-induced drain leakage voegen kleinere bijdragen toe.
Een hogere temperatuur verhoogt de thermische energie van ladingsdragers, zodat er meer de bronbarrière overwinnen, en verlaagt ook de drempelspanning. Beide effecten vermenigvuldigen de subthreshold-lekstroom, dus een hete chip kan meerdere keren meer lekken dan dezelfde chip als hij koel is. Zo ontstaat een terugkoppellus: lekstroom genereert warmte en warmte verhoogt de lekstroom. Vermogensbudgetten en het thermisch ontwerp moeten daarom bij de worst-case junctietemperatuur worden gecontroleerd, en in extreme gevallen kan de lus bij onvoldoende koeling tot thermal runaway leiden.
Dynamisch vermogen wordt besteed aan het op- en ontladen van capaciteit als signalen schakelen, P = α·C·V²·f, dus het daalt als de activiteit of de klokfrequentie daalt en reageert sterk op de spanning. Als dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) zowel spanning als frequentie halveert, daalt het dynamisch vermogen tot een achtste en de energie voor een vaste taak tot een kwart. Statisch vermogen gedraagt zich anders: het loopt zolang de schakeling gevoed is, ook met stilstaande klok, en omdat een vertraagde taak langer duurt, groeit de lekenergie. In geschaalde technologieën met miljarden transistors is statisch vermogen een aanzienlijk deel van het totaal, vooral in standby.
Omdat clock gating lekstroom niet kan stoppen, is power gating het effectiefste middel: header- of footer-sleeptransistors koppelen inactieve blokken volledig los van de voeding, terwijl retentieregisters of -geheugens de essentiële toestand bewaren. Multi-threshold-bibliotheken plaatsen cellen met hoge drempelspanning en weinig lekstroom op niet-kritieke paden en reserveren snelle cellen met lage drempelspanning voor kritieke paden. Reverse body biasing verhoogt de drempelspanning tijdens inactieve perioden, en het verlagen van de voeding in standby vermindert de lekstroom verder. Op componentniveau verminderen FinFET's en gate-all-around-transistors de lekstroom in uitgeschakelde toestand door een sterkere gatecontrole en een steilere subthreshold slope dan de laatste planaire transistors.
Antwoord: A. Het vermogen wordt 1/8 en de energie 1/4
Het vermogen is evenredig met V²f, dus als V en f beide worden gehalveerd, wordt het (1/2)² × 1/2 = 1/8. De rekentijd verdubbelt, dus de energie is 1/8 × 2 = 1/4. Omdat de energie per schakeling evenredig is met CV², leidt de redenering dat de energie door het kwadraat van de spanning wordt bepaald tot hetzelfde resultaat. In werkelijkheid is het bereik waarin de spanning kan worden verlaagd beperkt en is er ook statisch vermogen, zodat de afname niet zo ideaal is.
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.
Dynamisch vermogen wordt verbruikt als signalen schakelen en capaciteit op- of ontladen, dus het hangt af van activiteit, frequentie en het kwadraat van de spanning. Statisch vermogen is de lekstroom door transistors die nominaal uit staan en loopt continu zolang de schakeling gevoed is.
Bij een hogere temperatuur kunnen meer ladingsdragers de bronbarrière overwinnen en daalt ook de drempelspanning, wat beide de subthreshold-lekstroom exponentieel verhoogt. Daardoor kan de lekstroom tussen een koele en een hete chip een veelvoud verschillen.
Nee. Clock gating stopt het schakelen en bespaart dus dynamisch vermogen, maar de lekstroom gaat door zolang de voeding is aangesloten; power gating is nodig om het statisch vermogen van een inactief blok weg te nemen.
In werkelijkheid is het bereik waarin de spanning kan worden verlaagd beperkt en is er ook statisch vermogen, zodat de afname niet zo ideaal is.
Stel dat bij DVFS de voedingsspanning evenredig met de freq…Statisch vermogen neemt niet af als de klok wordt stopgezet, dus er worden maatregelen genomen zoals power gating, waarbij de voeding zelf wordt uitgeschakeld.
Welke uitspraak over het statisch vermogensverbruik (lekver…DVFS (dynamic voltage and frequency scaling) CMOS Drempelspanning (threshold voltage) Power gating ACPI Activiteitsfactor (switching activity) Adaptive voltage scaling (AVS) Break-even time C-state Dynamisch vermogen (dynamic power)