Vermogensverbruik van CMOS (dynamisch en statisch)
Voer de activiteitsfactor, de totale geschakelde capaciteit, de voedingsspanning, de klokfrequentie en de lekstroom in om het dynamische en statische vermogen van een CMOS-schakeling te berekenen. Je ziet ook hoeveel het totale vermogen daalt wanneer DVFS spanning en frequentie in dezelfde verhouding verlaagt.
Resultaten
Dynamisch vermogen αCV²f
–
Statisch vermogen Ileak × V
–
Totaal vermogen
–
Statisch aandeel
–
Totaal vermogen na DVFS
–
Vermogen na DVFS (% van origineel)
–
Dynamisch vermogen is P = αCV²f, met α de kans per klokcyclus dat een knooppunt van 0 naar 1 schakelt (teksten die α definiëren als fractie van alle overgangen schrijven ½αCV²f). Statisch vermogen wordt geschat als Ileak × V; in de DVFS-schatting wordt de lekstroom zelf als onafhankelijk van de spanning beschouwd, zodat alleen de factor × V schaalt. Kortsluitvermogen is niet meegenomen.
Bekijk als grafiek
De andere invoerwaarden blijven gelijk, terwijl de gekozen invoer varieert van 1/4 tot 4 keer de huidige waarde. De rode stip is de huidige waarde.
Wat αCV²f betekent
Telkens wanneer de uitgang van een CMOS-poort van 0 naar 1 gaat, neemt de belastingscapaciteit C een energie CV² uit de voeding op. De helft gaat tijdens het laden als warmte verloren in de pMOS, en de helft die in de capaciteit is opgeslagen, wordt bij de volgende overgang van 1 naar 0 in de nMOS gedissipeerd. Als α de kans op een 0-naar-1-overgang per klokcyclus is, is het dynamische vermogen P = αCV²f. Met de standaardwaarden α = 0,1, C = 1 nF, V = 1,0 V en f = 2 GHz is P = 0,1 × 10⁻⁹ × 1² × 2 × 10⁹ = 0,2 W.
Statisch vermogen en zijn aandeel
Ook wanneer transistors uit staan, blijft er stroom lopen: subthresholdstroom, tunnelstroom door het dunne gatediëlektricum en junctielekstroom. Het resulterende statische vermogen wordt hier geschat als Ileak × V. Met de standaardwaarden is dat 100 mA × 1,0 V = 0,1 W, ofwel 33,3% van het totaal van 0,3 W. Subthresholdstroom groeit exponentieel naarmate de drempelspanning lager wordt en stijgt sterk met de temperatuur. Doordat schaling de drempelspanningen omlaag dreef, werd statisch vermogen een aanzienlijk deel van het totaal.
Waarom DVFS zoveel bespaart
Een lagere voedingsspanning maakt de logica trager, dus een lagere frequentie laat een lagere spanning toe. Als je beide met s schaalt, wordt het dynamische vermogen, dat evenredig is met V²f, met s³ vermenigvuldigd. Bij 80% met de standaardwaarden daalt het dynamische vermogen met een factor 0,8³ = 0,512 tot ongeveer 0,102 W en het statische vermogen tot 0,08 W, samen 0,1824 W, ofwel 60,8% van het origineel. Een vaste taak duurt nu wel 1/s keer zo lang, zodat de dynamische energie ervan maar met s² daalt. Als het statische vermogen groot is, verspilt langzaam draaien bovendien meer lekenergie.
Hoe ontwerpen het vermogen verlagen
Elke term in de formule hoort bij een techniek om vermogen te besparen. Clock gating stopt de klok naar inactieve logica en verlaagt α; kortere verbindingen en kleinere transistors verlagen C. De spanning telt kwadratisch mee en heeft dus het grootste effect, en DVFS, dat spanning en frequentie aanpast aan de belasting, wordt veel gebruikt. Voor statisch vermogen schakelt power gating inactieve blokken uit, en op paden die geen snelheid nodig hebben worden transistors met een hoge drempelspanning gebruikt. Dat de drempelspanning niet verder omlaag kan zonder buitensporige lekstroom, is een belangrijke reden waarom voedingsspanningen niet meer daalden.
BHet aandeel signalen dat per klokcyclus schakelt (activiteitsfactor)
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.
Invullen in P = αCV²f geeft 0,1 × 1×10⁻⁹ F × (1 V)² × 1×10⁹ Hz = 0,1 W. Omdat nano (10⁻⁹) bij de capaciteit en giga (10⁹) bij de frequentie elkaar opheffen, wordt de berekening eenvoudig. Bij echte chips neemt de schakelende capaciteit toe evenredig met de omvang van de schakeling, en het totale dynamische vermogensverbruik kan enkele tientallen tot honderden W bedragen.
BZowel het vermogen als de energie worden gehalveerd
CHet vermogen wordt 1/4 en de energie verandert niet
Antwoord en toelichting tonen
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.
Het dynamische vermogensverbruik is evenredig met het kwadraat van de spanning, dus bij een spanning van 0,9 keer wordt het vermogen 0,9² = 0,81 keer, dus ca. 19 % minder. Ook een kleine spanningsverandering heeft een groot effect op het vermogen, dus het verlagen van de spanning is een van de meest effectieve manieren om vermogen te besparen. Omdat de schakeling bij lagere spanning langzamer wordt, moet de spanning echter alleen worden verlaagd binnen het bereik waarin de benodigde snelheid behouden blijft, en dit afhankelijk van de belasting doen is DVFS.
Veelgestelde vragen
Hoeveel daalt het dynamische vermogen als de voedingsspanning 10% lager wordt?
Dynamisch vermogen schaalt met het kwadraat van de spanning, dus bij dezelfde frequentie wordt het 0,9² = 0,81 keer zo groot, een daling van ongeveer 19%. Wordt ook de frequentie 10% verlaagd, dan wordt het 0,9³ ≈ 0,73 keer zo groot, een daling van ongeveer 27%.
Wat is juist, P = αCV²f of P = ½αCV²f?
Allebei, met verschillende definities van α. Is α de kans op een 0-naar-1-overgang per klokcyclus, dan geldt P = αCV²f. Telt α zowel stijgende als dalende overgangen, dan dissipeert elke overgang ½CV², dus P = ½αCV²f. Controleer welke betekenis een opgave gebruikt.
Hoe kan statisch vermogen worden verlaagd?
Power gating van inactieve blokken, transistors met een hoge drempelspanning, een lagere voedingsspanning en een koelere chip helpen allemaal. Clock gating verlaagt het dynamische vermogen, maar vermindert de lekstroom niet.