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© Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo di potenza.

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Presentazione sul tema: "© Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo di potenza."— Transcript della presentazione:

1 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo di potenza

2 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo di potenza Potenza istantanea: p(t) = v(t)i(t) = V DD i(t) Potenza di picco: P max = V DD i DD,max Potenza media:

3 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Circuito RC del primo ordine v out v in CLCL R

4 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Contributi al consumo di potenza nell’invertitore CMOS Consumo dinamico Corrente di cortocircuito Correnti di perdita Carica e scarica delle capacità Cammini a bassa impedenza dall’alimentazione alla massa Perdite dei diodi e dei transistor

5 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo dinamico Energia per commutazione = C L * V dd 2 Potenza = Energia/tempo di propagazione *f =C L * V dd 2 * f È necessario ridurre C L, V DD e f per ridurre il consumo VinVout C L Vdd Non dipende dalle dimensioni dei MOSFET!

6 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Circuito con escursione logica ridotta

7 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Corrente di corto circuito

8 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Correnti di perdita La corrente di sottosoglia è il contributo dominante e rappresenta il maggiore problema dei circuiti a basso consumo. V out Vdd Corrente di sottosoglia Corrente inversa Delle giunzioni di drain V in

9 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Corrente inversa del diodo J S = pA/  m 2 a 25C per una tecnologia CMOS da 0.25  m J S raddoppia ogni 9C!

10 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Corrente di sottosoglia

11 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Tecniche di riduzione del consumo  Prima scelta: ridurre la tensione V DD !  Recentemente è stato osservato un’accelerazione nel ridurre V DD  Progettare circuiti a basso consumo è ancora un problema aperto (0.6 … 0.9 V per il 2010!)  Ridurre il fattore di attività  Ridurre le capacità parassite  Dimensionamento per F=20: –f opt (energia) = 3.53, f opt (velocità) = 4.47

12 University of Padova Information Engineering Dept. - Microelectronics lab Elettronica Digitale Invertitore CMOS Simulazioni Andrea Gerosa - Tel

13 Risposta al transitorio Vin Vout

14 Risposta al transitorio – raddoppio di C L C L =100fF tp scala proporzional- mente a C L (contributo intrinseco trascurabile) Carica: I dd =I c Scarica: I dd =0 Idd Ic

15 Risposta al transitorio – energia E Vdd

16 Diminuzione di Vdd L’energia scala con il quadrato di Vdd Ma tp aumenta a causa della diminuzione della corrente nei MOS

17 Corrente di corto-circuito Se l’ingresso rimane “a lungo” nell’intorno di V M, si ha una corrente aggiuntiva tra Vdd e massa Idd Ic Vin Vout

18 Correnti parasite nelle giunzioni **** voltage sources subckt element0:vdd 0:vin volts current p 0. power p 0. element0:m1 0:m2 region Cutoff Linear id f p ibs e e-26 ibd a 1.072e-24 vgs vds n vbs vth m m Vin=0V

19 Correnti di sotto-soglia Vin=200mV **** voltage sources subckt element 0:vdd 0:vin volts m current p 0. power p 0. element 0:m1 0:m2 region Cutoff Linear id p p ibs e e-26 ibd a 3.478e-24 vgs m vds n vbs vth m m

20 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Evoluzione della tecnologia CMOS

21 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Obiettivo dello scaling tecnologica  Rendere le cose più economiche:  Vendere più funzioni (transistor) per chip allo stesso prezzo  Costruire e vendere gli stessi prodotti a minor prezzo  Il prezzo per un singolo transistor deve diminuire  … ma, allo stesso tempo, il sistema deve essere più veloce, essere più piccolo e consumare meno

22 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Scaling tecnologico  Ridurre le dimensioni del 30%:  Riduce il ritardo del 30% (aumenta la frequenza operativa del 43%)  Raddoppia la densità dei transistor  Riduce l’energia per transizione del 65%  La dimensione del chip aumenta del 14% in ogni generazione  Ogni 2-3 anni viene introdotta una nuova generazione tecnologica

23 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Generazioni tecnologiche

24 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Evoluzione della tecnologia (dati del 2000) International Technology Roadmap for Semiconductors Potenza Max.  P [W] Freq. max. [GHz], Locale-Globale Potenza Bat. [W] Livelli di intercon Alimentazione [V] Nodo tecnologico [nm] Anno di produzione Nuovi nodi: 2007/65nm, 2010/45nm, 2013/33nm, 2016/23nm

25 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Evoluzione della tecnologia (dati 1999)

26 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Scaling Tecnologico (1) Dimensione minima

27 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Scaling Tecnologico (2) Numero di dispositivi per chip

28 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Scaling Tecnologico (3) Tempo di propagazione t p diminuisce del 13%/anno 50% ogni 5 anni!

29 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Scaling Tecnologico (4) da Kuroda

30 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Evoluzione dei  Processori Pentium® proc P Anno Transistor (MT) 2x ogni 1.96 anni!

31 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo di potenza nei  Processori 5KW 18KW 1.5KW 500W Pentium® proc Anno Potenza (Watt)

32 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Prestazioni dei  Processor P.Gelsinger:  Processors for the New Millenium, ISSCC 2001

33 © Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Uno sguardo al 2010  Prestazioni 2X/16 mesi  1 TIP (terra instructions/s)  30 GHz clock  Dimensioni  No di transistors: 2 Miliardi  Chip: 40*40 mm  Consumo  10kW!!  Statico: 1/3 del consumo dinamico P.Gelsinger:  Processors for the New Millenium, ISSCC 2001


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