Consumo di Potenza nell inverter CMOS. Courtesy of Massimo Barbaro

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Michele Vittorio Blasi
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1 Consumo di Potenza nell inverter CMOS

2 Potenza dissipata Le componenti del consumo di potenza sono 3: Potenza statica: è quella dissipata quando l inverter ha ingresso costante, in condizioni di stabilità Potenza dinamica dovuta a C L : è la potenza consumata in commutazione, dovuta al fatto che in corrispondenza di una variazione d ingresso deve avvenire una variazione dell uscita che comporta la carica e la scarica di C L Potenza dinamica dovuta a correnti di cortocircuito: è la potenza che si dissipa in commutazione quando, temporaneamente, si creano percorsi conduttivi diretti fra alimentazione e massa

variazione d ingresso deve avvenire una variazione dell uscita che comporta la carica e la scarica di C L Potenza dinamica dovuta a correnti di

3 Potenza dinamica su C L Ogni volta che C L viene caricata in una commutazione LH una certa quantità di energia deve essere prelevata dall alimentazione. Parte di questa energia viene immagazzinata su C L e parte dissipata nel PMOS Se la transizione dell ingresso è istantanea, lo NMOS si spegne istantaneamente ed il PMOS si accende (inizialmente in saturazione) Il PMOS carica C L fino al valore di V DD con la sua corrente di drain che varia al variare di V out

Parte di questa energia viene immagazzinata su C L e parte dissipata nel PMOS Se la transizione dell ingresso è

4 Potenza dinamica su C L V in =0 V in =0 V out C L Energia fornita dall alimentazione Non c è percorso diretto verso massa perché lo NMOS è off Energia C assorbita da C L

5 Energia erogata dall alimentazione L energia totale erogata all alimentazione per caricare completamente C L è:

6 Energia assorbita da C L L energia totale assorbita da C L è pari alla metà dell energia erogata dall alimentazione, questo perché l altra metà viene dissipata sul PMOS

7 Transizione HL Nella commutazione opposta (HL) il PMOS si spegne e C L si scarica attraverso lo NMOS. In questa situazione l alimentazione non eroga energia (perché non eroga corrente). L energia che era stata precedentemente immagazzinata su C L viene dissipata sul NMOS

In questa situazione l alimentazione non eroga energia (perché non

8 Potenza dinamica dissipata L energia totale dissipata in una doppia transizione (L H L) è data dalla somma di quella dissipata sul PMOS e sul NMOS. Tale energia è indipendente dalla resistenza dei MOS e dalle loro dimensioni La potenza dissipata si ottiene dividendo l energia per il tempo impiegato dalla doppia transizione (ossia moltiplicando per la frequenza di commutazione dell inverter)

Tale energia è indipendente dalla resistenza dei MOS e dalle loro dimensioni La potenza dissipata

9 Potenza dissipata: considerazioni La frequenza f 0 1 per cui viene moltiplicata l energia non è necessariamente uguale alla frequenza di funzionamento del sistema Non è infatti vero che ogni singolo gate commuti alla frequenza del sistema (non tutti i gate commutano contemporaneamente) Questo fa sì che la frequenza effettiva da usare nella formula sia da pesare con un coefficiente moltiplicativo che deriva da considerazioni statistiche sulla probabilità di commutazione di vari gate La formula ci dà il caso peggiore (worst case) Per valutare il consumo reale bisogna avere delle statistiche sul numero di transizioni dell uscita, che dipendono dalla specifica operazione svolta dal circuito (switching-activity). Si ottiene che, se la probabilità di avere una transizione è pari a P 0 1 P dyn = C L V DD2 P 0 1 f = C eff V 2 DD f

che deriva da considerazioni statistiche sulla probabilità di commutazione di vari gate La formula ci dà il caso peggiore (worst case) Per valutare il consumo reale bisogna avere delle statistiche

10 Potenza dinamica da cortocircuito In realtà l ingresso non potrà mai variare instantaneamente fra 0 e V DD (o V DD e 0) ma assumerà tutto i valori intermedi. Mentre l ingresso compie la sua commutazione, in un certo range di tensioni sia il PMOS che lo NMOS sono accesi e si stabilisce quindi un cortocircuito (temporaneo) fra alimentazione e massa. Questo avviene quando l ingresso è: V tn <V in <V DD - V tp

Mentre l ingresso compie la sua commutazione, in un certo range di tensioni sia il PMOS che lo NMOS

11 Potenza dinamica da cortocircuito Al variare della tensione di ingresso può capitare che i due dispositivi siano accesi contemporaneamente dando origine ad una corrente di cortocircuito (I short ) che dissipa potenza 2 2

dispositivi siano accesi contemporaneamente dando

12 Potenza statica La dissipazione di potenza statica è molto piccola ed è legata solo a due fenomeni: La corrente di leakage attraverso i diodi parassiti La corrente di sottosoglia dei MOS. Corrente di sottosoglia, dovuta al fatto che, in realtà, il transistor non si spegne brutalmente ma conduce anche per V GS inferiori alla soglia. Tanto più corto è il dispositivo, tanto minore è la tensione di soglia e maggiore la corrente di sottosoglia Diodi parassiti (formati dalle giunzioni pn fra le sacche n+ di source e drain ed il substrato). Analoghe strutture nel PMOS.

Corrente di sottosoglia, dovuta al fatto che, in realtà, il transistor non si spegne brutalmente ma conduce anche per V GS inferiori alla

13 Potenza statica Il vantaggio della tecnologia CMOS rispetto a tutte le altre è proprio il fatto di avere una dissipazione statica praticamente trascurabile Nelle tecnologia moderne (deep-submicron), dai 90nm in giù, la corrente di sottosoglia tende a dominare il fenomeno. Diodi parassiti (formati dalle sacche n+ e dal body e dalle sacche p+ e dalla nwell) I D

(deep-submicron), dai 90nm in giù, la corrente di sottosoglia tende a dominare il fenomeno.

14 Riduzione della potenza statica Le correnti di sotto-soglia dipendono fortemente dalla tensione di soglia dei transistor: Effetto Body: La tensione di soglia dipende dalla polarizzazione del substrato V SB Aumentato la V SB aumenta anche la tensione di soglia, quindi il transistor diventa sia piu lento (a parita di Vin il transistor è piu resistivo), sia energicamente piu efficiente, in quanto ri riducono le correnti di sottosoglia, principali responsabili della dissipazione della potenza statica

tensione di soglia, quindi il transistor diventa sia piu lento (a parita di Vin il transistor è piu resistivo), sia

15 Riduzione della potenza statica: Body Bias e Power Gating Body collegato ad una tensione diversa da VDD o GND Forwarding Body Bias Transistor piu veloci ma con piu leakage Reverse Body Bias Transistor meno veloci ma con meno leakage Power gating: attraverso uno switch (pmos o nmos) viene interdetta l alimentazione, annullando quindi ogni contributo di potenza statica

Body Bias Transistor meno veloci ma con meno leakage Power gating: attraverso uno switch

16 Potenza dissipata La potenza dissipata totale è data dalla somma delle 3 componenti: P = P stat +P dyn +P dp = = I leakage V DD + [C L V DD2 + V DD I peak (t r +t f )/2]f 0 1 In genere il contributo di P dyn è quello dominante

17 Prodotto Potenza/Ritardo (PDP) Un parametro fondamentale di una tecnologia è il prodotto potenza/ritardo (Power Delay Product), ossia il prodotto fra massima frequenza di funzionamento e ritardo. Nel caso CMOS si può ricavare dalla formula della potenza, notando che la massima frequenza di funzionamento dell inverter è pari al doppio del tempo di propagazione. Infatti per ogni colpo di clock devono essere compiute due commutazioni (HL e LH) (per frequenze maggiori il segnale non riesce a propagarsi prima che l ingresso cambi nuovamente), dunque, trascurando i contributi di statica e di cortociruito: PDP = P dyn t p = C L V DD2 f max t p = C L V DD 2 [1/(2t p )] t p = ½ C L V DD 2

Nel caso CMOS si può ricavare dalla formula della potenza, notando che la massima frequenza di funzionamento dell inverter è pari al doppio del tempo di propagazione.

18 Prodotto Potenza/Ritardo (PDP) Il termine PDP dipende solo da alimentazione e C L che vanno quindi minimizzate contemporaneamente. Il PDP è una misura dell energia mediamente consumata per una transizione. Come metrica ha però un difetto: mediando l energia sul tempo di elaborazione può essere resa bassa semplicemente riducendo la frequenza di operazione, ossia impiegando più tempo per fare la stessa operazione (a scapito delle prestazioni effettive).

Come metrica ha però un difetto: mediando l energia sul tempo di elaborazione può essere resa bassa semplicemente

19 Prodotto Energia/Ritardo (EDP) Una metrica più efficace è rappresentata dal prodotto energia/ritardo (Energy Delay Product) Lo EDP misura infatti l energia spesa a parità di prestazioni (a parità di velocità di funzionamento). Si può facilmente ricavare l EDP di un inverter CMOS dal suo PDP moltiplicando ulteriormente per il tempo di propagazione: EDP = PDP t p = ½ C L V DD2 t p Si vede ora che, all aumentare della tensione di alimentazione aumentano le prestazioni (diminuisce t p ) ma aumenta anche l energia dissipata (quadraticamente). Al contrario, il PDP migliora indefinitamente al diminuire della VDD (ovviamente a scapito delle velocità).

Si può facilmente ricavare l EDP di un inverter CMOS dal suo PDP moltiplicando ulteriormente per il tempo di propagazione: EDP = PDP t p = ½ C L V DD2 t p Si vede

20 Potenza: riassunto La dissipazione di potenza statica è praticamente nulla La dissipazione di potenza dinamica è proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione ed alla frequenza di commutazione In commutazione ci possono essere cortocircuiti temporanei fra alimentazione e massa Il PDP dipende solo da V DD e da C L Lo EDP dipende da V DD e da C L e dal tempo di propagazione

di commutazione In commutazione ci possono essere cortocircuiti temporanei fra alimentazione e

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