¿Cuáles son las diferencias entre el consumo de energía estática y dinámica en los circuitos integrados CMOS? ¿Qué parámetros MOSFET y consideraciones de diseño lógico son más importantes para la potencia estática frente a la dinámica?

Answer 1

Para los MOSFET, la potencia estática deriva de la longitud del canal del transistor, así como del nivel de dopaje y el grosor de la puerta.

La longitud del canal del transistor dependerá del tamaño mínimo de la característica (45 nm, 28 nm, etc.). El nivel de dopaje y el grosor de la puerta variarán con los diferentes procesos (LP, G, HP, etc.).

El aumento de los niveles de dopaje permite una mayor corriente activa para transiciones más rápidas, pero causa una mayor fuga. Lo mismo se aplica al grosor de la puerta. Estos también aumentan la potencia dinámica también.

En el diseño lógico, la potencia dinámica aumenta cada vez que la lógica cambia de 1 a 0 o de 0 a 1. Para evitar esto, los grandes grupos de lógica a menudo se activan (las entradas AND se habilitan) si no se utiliza la función en particular. Un ejemplo de esto es en el caso de un ALU de microprocesador con muchos subtipos de funciones dedicadas. Si se realiza una operación ADD, no se utilizan las rutas lógicas para lógicos (AND, OR, etc.), multiplicaciones, cambios, etc. Si el subcapítulo ADD comparte sus entradas con los demás, puede reducir el consumo dinámico de energía para bloquear las entradas a esos subpipes si se produce un ADD.

La potencia estática es principalmente una función de ambas áreas (cuántos transistores necesitan para mantener su estado), así como del diseño del circuito. Por ejemplo, para crear la red pull-up de una puerta NAND generalmente se requieren dos P-FET en paralelo (cualquiera de las entradas con lógica 0 activará los transistores y conducirá a VDD). Esta configuración en paralelo aumenta la potencia estática del circuito, ya que la resistencia efectiva de los dos transistores paralelos en su estado “apagado” es 1 / (1 / R1 + 1 / R2) de la resistencia de un transistor.

Answer 2

En baja potencia moderna. microprocesadores de alto rendimiento, la energía estática generalmente se define como la energía consumida por el dispositivo cuando está en modo inactivo, generalmente implementado como algún tipo de modo de suspensión, y la energía dinámica es la energía adicional consumida cuando el dispositivo está en funcionamiento.

En el nivel del circuito CMOS, ya sea un NAND, NOR, Latch, etc., estos circuitos están diseñados teóricamente para no consumir energía si sus entradas no están cambiando (o en el caso de un pestillo, si no hay entrada de reloj). en cambio. En realidad, todos los transistores FET tienen fugas de corriente entre la fuente y el drenaje (si hay un potencial de voltaje a través del canal de origen) incluso si el voltaje de la compuerta está en la posición de apagado. Esta corriente se llama corriente subliminal y solía ser insignificante Sin embargo, a medida que los dispositivos se han vuelto cada vez más pequeños y los voltajes operativos no se han reducido con la escala de la tecnología (debido a problemas para escalar el voltaje umbral), este voltaje subliminal se está convirtiendo en un componente cada vez más importante de la potencia total de un chip. especialmente cierto en dispositivos que tienen millones de estos circuitos con fugas simultáneas, incluso si el dispositivo no está haciendo nada. Los primeros dispositivos administrados de energía (como los microprocesadores) pudieron controlar el consumo de energía en los modos de suspensión simplemente desacelerando o deteniendo el reloj (conocido como activación de reloj), pero a medida que el consumo de energía estática ha aumentado, se ha vuelto más importante considerar técnicas como islas de voltaje en chips donde el voltaje a grandes porciones de un chip puede cerrarse apagado (o reducido) para reducir las corrientes de fuga estática.

La potencia dinámica es la potencia asociada con la conmutación. Para una aproximación de primer orden, en cualquier circuito CMOS como los descritos anteriormente, la salida del circuito (NAND, Nor, etc.) está conectada a un cable que generalmente está conectado a la entrada de otros circuitos. Este cable y las entradas a otros circuitos (que generalmente son electrodos de compuerta) se pueden modelar como cargas capacitivas para el circuito. Cuando el circuito tiene que cambiar de alto voltaje a bajo voltaje (o viceversa), esta capacitancia debe cargarse o descargarse. Esto requiere una cierta cantidad de energía y, si repite esto miles de millones de veces por segundo, se convierte en una alimentación continua o de CA. Como mencionó el otro encuestado, también puede existir en los circuitos una posición intermedia donde, en el proceso de conmutación, puede aparecer una ruta directa en el circuito entre voltaje y tierra que puede causar una corriente de conmutación que es resistiva y, por lo tanto, diferente a la capacitiva poder que acabo de describir. Esta corriente resistiva se puede manejar de alguna manera con un buen diseño de dispositivo y circuito y relojes sin solapamiento en el diseño de cierre, pero esta potencia también puede considerarse una potencia dinámica, ya que solo ocurre cuando los circuitos están cambiando.