靜態功耗與動態功耗的差異:成因、公式、溫度依存、降低方法比較

CMOS 電路的功耗,可分為訊號切換時消耗的動態功耗,以及即使不切換也持續消耗的靜態功耗。動態功耗來自導線與閘極電容的充電與放電,以 P = αCV²f 表示。靜態功耗來自流過截止電晶體等的漏電流,溫度一升高就會急遽增加。隨著微縮使電源電壓與臨界電壓下降,靜態功耗所佔的比例變大了。

項目靜態功耗動態功耗
別名漏電功耗切換功耗
成因截止電晶體的次臨界漏電、閘極漏電、接面漏電等負載電容的充電與放電。有時也包含切換途中 pMOS 與 nMOS 同時導通的貫穿電流
公式(參考)P = V × Ileak(Ileak:漏電流)P = αCV²f(α:活動率,C:電容,V:電源電壓,f:頻率)
電路停止時只要有供電就會消耗訊號不切換的話,幾乎為零
對電源電壓的依存增加幅度超過與電壓成正比。因為 DIBL 等使漏電流本身也增加與電壓的平方成正比
對頻率的依存幾乎不依存與頻率成正比
對溫度的依存強。隨溫度呈指數增加,也會成為熱失控的原因弱
對臨界電壓的依存強。降低臨界電壓時,次臨界漏電呈指數增加(在室溫下每降低約 60 至 100 mV 約增加 10 倍)不直接依存。但臨界電壓高時,電路會變慢
降低方法電源閘控、高臨界電壓的電晶體(多重 Vt)、待機中降低電壓、以 High-k/金屬閘極抑制閘極漏電時脈閘控、DVFS、降低電源電壓、減少電容、降低活動率
微縮帶來的變化由於臨界電壓隨電源電壓一起降低而急遽增加,成為不可忽視的比例。以 FinFET 等閘極控制力高的結構加以抑制在 Dennard 微縮中,以相同比例縮小尺寸與電壓,可以維持功率密度固定。電壓變得難以降低後,功率密度的上升成為問題
影響顯著的情境待機時間長的裝置、在高溫下運作的晶片以高頻率頻繁動作時

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

降低靜態功耗
待機時間長的裝置,或在高溫下運作的晶片。以電源閘控切斷未使用區塊的電源,對不需要速度的路徑使用高臨界電壓的電晶體。
降低動態功耗
以高頻率頻繁動作的處理器。以時脈閘控停止無謂的切換,以 DVFS 依負載降低電壓與頻率。
搭配使用
降低電壓時動態功耗會以平方減少,但電路變慢使處理時間延長,這段期間的漏電能量會增加。因此,存在使每次運算能量最小的電壓。

常見問題

將電源電壓減半時,動態功耗會如何變化?

若其他條件相同,由於與電壓的平方成正比,會變成 1/4。但降低電壓會使電路變慢,因此不一定能以相同頻率運作。

為什麼溫度升高時靜態功耗會增加?

因為在臨界電壓以下流動的次臨界漏電,在溫度升高時載子的能量分布會變寬,臨界電壓也會下降,因而急遽增加。必須注意發熱增加使溫度進一步上升的惡性循環。

時脈閘控能降低靜態功耗嗎?

幾乎不能。停止時脈後切換消失,動態功耗會降低,但電源仍然連接,因此漏電流會持續流動。若也要降低漏電,就要使用切斷電源的電源閘控。

理解度檢測

在CMOS電路的動態功耗公式 P = αCV²f 中,α所代表的意義,下列何者正確?

  1. A電晶體的數量
  2. B每個時脈週期中訊號切換的比例(活動率)
  3. C晶片的溫度
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正確答案:B. 每個時脈週期中訊號切換的比例(活動率)

動態功耗是對配線或閘極的電容進行充電、放電時所消耗的功率。C是進行切換部分的電容,V是電源電壓,f是時脈頻率,α則是表示在一個時脈週期內有多少比例的訊號會切換的活動率。資料沒有變化的部分,或是時脈被停止的部分不會切換,因此降低α也是重要的省電手段。

關於CMOS電路的靜態功耗(洩漏功耗)的說明,下列何者正確?

  1. A時脈越快就成正比增加的功率
  2. B即使訊號不切換,仍因流經關閉狀態電晶體等處的洩漏電流而持續消耗的功率
  3. C只在製造晶片時才會消耗的功率
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正確答案:B. 即使訊號不切換,仍因流經關閉狀態電晶體等處的洩漏電流而持續消耗的功率

電晶體並不是完美的開關,即使在關閉狀態,仍會有少量的次臨界洩漏電流或閘極洩漏電流等流過。單一電晶體的洩漏雖小,但數十億個電晶體加總起來就是相當大的功率,而且隨著微縮使臨界電壓降低,洩漏變得更為明顯。靜態功率即使停止時脈也不會減少,因此要以切斷電源本身的電源閘控(power gating)等方式因應。

當晶片溫度上升時,洩漏功耗會如何變化?此外,可能因此引發下列哪種問題?

  1. A會隨溫度急遽(呈指數函數)增加,發熱增加使溫度進一步上升,可能造成惡性循環(熱失控)
  2. B溫度上升時會減少,所以越熱越省電
  3. C與溫度無關,維持固定
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正確答案:A. 會隨溫度急遽(呈指數函數)增加,發熱增加使溫度進一步上升,可能造成惡性循環(熱失控)

次臨界洩漏電流在溫度上升時,載子的能量分布會變寬而急遽增加,大致上每上升10℃就可能大幅增加。洩漏增加使發熱增加,溫度進一步上升又使洩漏增加,形成正回授,因此若散熱不足,恐怕會導致熱失控。為此會以溫度感測器進行監測,並透過降低頻率等方式進行控制。

  1. 比較時脈閘控與電源閘控的說明,下列何者正確?
  2. 在 CMOS 電路中,若其他條件不變,只將電源電壓減半,動態功耗會如何變化?
  3. 關於MOSFET在關閉狀態下流過的漏電流的主要成分組合,下列何者正確?

前往電源管理(軟體控制)的練習題

相關名詞的解說

靜態功耗(Static power)
即使訊號不切換,仍因流經關閉之電晶體等的漏電流而持續消耗的電力。亦稱漏電功耗。會隨溫度急遽增加。
動態功耗(Dynamic power)
在 CMOS 電路中,訊號切換時為了對電容充放電所消耗的電力。以活動因子 α、電容 C、電壓 V、頻率 f 表示為 αCV²f。
活動因子(Activity factor)
電路訊號每個時脈切換的比例。是動態功耗公式 αCV²f 中的 α。可藉由時脈閘控等降低。
電源閘控(Power gating)
以開關切斷對未使用之電路區塊的電源供應,使漏電功耗也幾乎歸零的低功耗手法。需要注意狀態保存與恢復的時間。
時脈閘控
停止對未使用之電路區塊供應時脈,以減少無謂切換所造成耗電的低功耗設計手法。

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