© Circuiti Integrati Digitali L’invertitore Consumo di potenza.

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Consumo di potenzaConsumo di potenza


Consumo di potenzaConsumo di potenza

Potenza istantanea:p(t) = v(t)i(t) = VDDi(t)

Potenza di picco: Pmax = VDDiDD,max

Potenza media:

1( )

t T t TDD

media DDt t

VP p t dt i t dt

T T


Circuito RC del primo ordineCircuito RC del primo ordineVdd

Vout

isupply

CL

E0->1 = CLVdd2

PMOS

NETWORK

NMOS

A1

AN

NETWORK

E0 1 P t dt

0

T Vdd isupply t dt

0

T Vdd CLdVout

0

Vdd

CL Vdd 2= = = =

Ecap Pcap t dt

0

T Vouticap t dt

0

T CLVoutdVout

0

Vdd 1

2---C

LVdd

2= = = =

vout

vin CL

R


Contributi al consumo di potenza Contributi al consumo di potenza nell’invertitore CMOSnell’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 dinamicoConsumo dinamico

Energia per commutazione = CL * Vdd2

Potenza = Energia/tempo di propagazione * f = CL * Vdd2 * f

È necessario ridurre CL, VDD e f per ridurre il consumo

Vin Vout

CL

Vdd

Non dipende dalle dimensioni dei MOSFET!


CL

Vdd

Vdd

Vdd -Vt

E0 1 CL Vdd Vdd Vt– =

Can exploit reduced swing to lower power(e.g., reduced bit-line swing in memory)

Circuito con escursione logica ridottaCircuito con escursione logica ridotta


Corrente di corto circuitoCorrente di corto circuito

Vin Vout

CL

Vdd

I VD

D (m

A)

0.15

0.10

0.05

Vin (V)5.04.03.02.01.00.0


Correnti di perditaCorrenti di perdita

La corrente di sottosoglia è il contributo dominante e rappresenta il maggiore problema

dei circuiti a basso consumo.

Vout

Vdd

Corrente di sottosoglia

Corrente inversaDelle giunzioni di drain

Vin


Corrente inversa del diodoCorrente inversa del diodo

Np+ p+

Reverse Leakage Current

+

-Vdd

GATE

IDL = JS A

JS = 1-5pA/m2 for a 1.2m CMOS technology

Js double with every 9oC increase in temperature

JS = 10-100 pA/m2 a 25C per una tecnologia CMOS da 0.25mJS raddoppia ogni 9C!


Corrente di sottosogliaCorrente di sottosoglia


Tecniche di riduzione del consumoTecniche 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

University of PadovaInformation Engineering Dept. - Microelectronics lab

Elettronica Digitale

Invertitore CMOSSimulazioni

Andrea Gerosa - [email protected]

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=0Idd

Ic

Risposta al transitorio – energia EVdd

pJVC ddL 1.12

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-circuitoSe l’ingresso rimane “a lungo” nell’intorno di VM, si ha una corrente aggiuntiva tra Vdd e massa

Idd

Ic

Vin Vout

Correnti parasite nelle giunzioni

**** voltage sources

subckt element 0:vdd 0:vin volts3.3000 0. current -6.6294p 0. power 21.877p 0.

element 0:m10: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

Correnti di sotto-soglia

Vin=200mV

**** voltage sources

subckt element 0:vdd 0:vin volts 3.3000 200.0000m current -20.6266p 0. power 68.0677p 0.

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


Evoluzione Evoluzione della tecnologia della tecnologia CMOSCMOS


Obiettivo dello scaling tecnologicaObiettivo 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 tecnologicoScaling 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 tecnologicheGenerazioni tecnologiche


Evoluzione della tecnologia (dati del 2000)Evoluzione della tecnologia (dati del 2000)

International Technology Roadmap for Semiconductors

18617717116013010690Potenza Max. P [W]

1.4

1.2

6-7

1.5-1.8

180

1999

1.7

1.6-1.4

6-7

1.5-1.8

2000

14.9-3.6

11-37.1-2.53.5-22.1-1.6Freq. max. [GHz], Locale-Globale

2.52.32.12.42.0Potenza Bat. [W]

109-10987Livelli di intercon.

0.3-0.60.5-0.60.6-0.90.9-1.21.2-1.5Alimentazione [V]

30406090130Nodo tecnologico

[nm]

20142011200820042001Anno di

produzione

Nuovi nodi: 2007/65nm, 2010/45nm, 2013/33nm, 2016/23nm


Evoluzione della tecnologia (dati 1999)Evoluzione della tecnologia (dati 1999)


Scaling Tecnologico (1)Scaling Tecnologico (1)

Dimensione minimaDimensione minima 1960 1970 1980 1990 2000 2010

10-2

10-1

100

101

102

Year

Min

imum

Fea

ture

Siz

e (m

icro

n)


Scaling Tecnologico (2) Scaling Tecnologico (2)

Numero di dispositivi per chipNumero di dispositivi per chip



Tempo di propagazioneTempo di propagazione

tp diminuisce del 13%/anno 50% ogni 5 anni!



(a) Power dissipation vs. year.

959085800.01

0.1

1

10

100

Year

Pow

er D

issi

patio

n (

W)

x4 / 3 yea

rs

MPU

DSP

x1.4 / 3 years

Scaling Factor （normalized by 4m design rule）

1011

10

100

1000

3

Pow

er D

ensi

ty (

mW

/mm2

)

0.7

(b) Power density vs. scaling factor.

da Kuroda


Evoluzione deiEvoluzione deiProcessoriProcessori

40048008

80808085 8086

286386

486Pentium® proc

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010Anno

Tra

nsi

sto

r (M

T)

2x ogni 1.96 anni!


Consumo di potenza nei Consumo di potenza nei ProcessoriProcessori

5KW 18KW

1.5KW 500W

40048008

80808085

8086286

386486

Pentium® proc

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008Anno

Po

ten

za (

Wat

t)


Prestazioni deiPrestazioni deiProcessorProcessor

P.Gelsinger: Processors for the New Millenium, ISSCC 2001


Uno sguardo al 2010Uno 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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