Consumo di potenza

Consumo di potenza Potenza istantanea: p(t) = v(t)i(t) = VDDi(t) EE141 Consumo di potenza Potenza istantanea: p(t) = v(t)i(t) = VDDi(t) Potenza di picco: Pmax = VDDiDD,max Potenza media:

Circuito RC del primo ordine EE141 Circuito RC del primo ordine R v out v in CL

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

Consumo dinamico Energia per commutazione = C * V Vin Vout C L Vdd Energia per commutazione = C L * V dd 2 Potenza = Energia/tempo di propagazione * f = C * f Non dipende dalle dimensioni dei MOSFET! È necessario ridurre CL, VDD e f per ridurre il consumo

Circuito con escursione logica ridotta

Corrente di corto circuito

Correnti di perdita Vdd Vin Vout Corrente inversa Delle giunzioni di drain Corrente di sottosoglia La corrente di sottosoglia è il contributo dominante e rappresenta il maggiore problema dei circuiti a basso consumo.

Corrente inversa del diodo JS = 10-100 pA/mm2 a 25C per una tecnologia CMOS da 0.25mm JS raddoppia ogni 9C!

Corrente di sottosoglia

Tecniche di riduzione del consumo Prima scelta: ridurre la tensione VDD! Recentemente è stato osservato un’accelerazione nel ridurre VDD 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: fopt(energia) = 3.53, fopt(velocità) = 4.47

Andrea Gerosa - gerosa@dei.unipd.it Elettronica Digitale Invertitore CMOS Simulazioni Andrea Gerosa - gerosa@dei.unipd.it Tel. 049-827-7728

Risposta al transitorio Vin Vout

Risposta al transitorio – raddoppio di CL CL=100fF tp scala proporzional-mente a CL (contributo intrinseco trascurabile) Carica: Idd=Ic Scarica: Idd=0 Ic Idd

Risposta al transitorio – energia EVdd

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

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

Correnti parasite nelle giunzioni element 0:m1 0:m2 region Cutoff Linear id 29.3616f -6.6294p ibs -3.931e-27 1.489e-26 ibd -16.8386a 1.072e-24 vgs 0. -3.3000 vds 3.3000 -25.8835n vbs 0. 0. vth 542.7134m -673.7655m Vin=0V **** voltage sources subckt element 0:vdd 0:vin volts 3.3000 0. current -6.6294p 0. power 21.877p 0.

Correnti di sotto-soglia Vin=200mV element 0:m1 0:m2 region Cutoff Linear id 14.0266p -20.6266p ibs -2.046e-26 4.634e-26 ibd -16.8386a 3.478e-24 vgs 200.0000m -3.1000 vds 3.3000 -83.9069n vbs 0. 0. vth 542.7134m -673.7655m **** voltage sources subckt element 0:vdd 0:vin volts 3.3000 200.0000m current -20.6266p 0. power 68.0677p 0.

Evoluzione della tecnologia CMOS

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

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

Generazioni tecnologiche

Evoluzione della tecnologia (dati del 2000) International Technology Roadmap for Semiconductors 186 177 171 160 130 106 90 Potenza Max. mP [W] 1.4 1.2 6-7 1.5-1.8 180 1999 1.7 1.6-1.4 2000 14.9 -3.6 11-3 7.1-2.5 3.5-2 2.1-1.6 Freq. max. [GHz], Locale-Globale 2.5 2.3 2.1 2.4 2.0 Potenza Bat. [W] 10 9-10 9 8 7 Livelli di intercon. 0.3-0.6 0.5-0.6 0.6-0.9 0.9-1.2 1.2-1.5 Alimentazione [V] 30 40 60 Nodo tecnologico [nm] 2014 2011 2008 2004 2001 Anno di produzione Nuovi nodi: 2007/65nm, 2010/45nm, 2013/33nm, 2016/23nm

Evoluzione della tecnologia (dati 1999)

Scaling Tecnologico (1) Dimensione minima

Scaling Tecnologico (2) Numero di dispositivi per chip

Scaling Tecnologico (3) tp diminuisce del 13%/anno 50% ogni 5 anni! Tempo di propagazione

Scaling Tecnologico (4) da Kuroda

Evoluzione dei m-Processori 1000 2x ogni 1.96 anni! 100 10 P6 Pentium® proc Transistor (MT) 1 486 386 0.1 286 8086 8085 0.01 8080 8008 4004 0.001 1970 1980 1990 2000 2010 Anno

Consumo di potenza nei m-Processori 100000 18KW 5KW 10000 1.5KW 1000 500W Pentium® proc Potenza (Watt) 100 286 486 8086 10 386 8085 8080 8008 1 4004 0.1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Anno

Prestazioni dei mProcessor P.Gelsinger: mProcessors for the New Millenium, ISSCC 2001

Uno sguardo al 2010 Prestazioni 2X/16 mesi Dimensioni Consumo 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: mProcessors for the New Millenium, ISSCC 2001