Consumo di potenza
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L’invertitore
Consumo di potenza
Potenza istantanea:
p(t) = v(t)i(t) = VDDi(t)
Potenza di picco:
Pmax = VDDiDD,max
Potenza media:
Pmedia
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1 t T
VDD
  p(t )dt 
T t
T

t T
t
i DD t  dt
L’invertitore
Circuito RC del primo
ordine
E
=C V
Vdd
2
L dd
0->1
isupply
PMOS
A1
R
NETWORK
AN
vin
NMOS
vout
Vout
CL
CL
NETWORK
T
E
=  P  t  dt = V  i
t dt = V
01
dd sup ply 
dd
0
0
T
E
Vdd
T
T
= P
t dt =  V
i
t dt =
ca p
cap  
out ca p 
0
0
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
0
C dV
= C V 2
L out
L
dd
Vdd
1
2
C
V
dV
=
-C
V


L out out
dd
2 L
0
L’invertitore
Contributi al consumo di potenza
nell’invertitore CMOS
• Consumo dinamico
Carica e scarica delle capacità
• Corrente di cortocircuito
Cammini a bassa impedenza dall’alimentazione alla massa
• Correnti di perdita
Perdite dei diodi e dei transistor
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L’invertitore
Consumo dinamico
Vdd
Vin
Vout
CL
Energia per commutazione = C L * Vdd2
Potenza = Energia/tempo di propagazione * f = CL * Vdd2 * f
Non dipende dalle dimensioni dei MOSFET!
È necessario ridurre CL, VDD e f per ridurre il consumo
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Circuito con escursione logica ridotta
Vdd
Vdd
Vdd -Vt
CL
E 0  1 = CL  Vdd   Vdd – Vt 
Can exploit reduced sw ing to low er power
(e.g., reduced bit-line swing in memory)
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L’invertitore
Corrente di corto circuito
Vd d
Vin
Vout
CL
IVDD (mA)
0.15
0.10
0.05
0.0
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1.0
2.0
3.0
Vin (V)
4.0
5.0
L’invertitore
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.
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L’invertitore
Corrente inversa del diodo
GATE
p+
p+
N
Reverse Leakage Current
+
V
- dd
IDL = JS  A
JS = 10-100 pA/m2 2a 25C per una tecnologia CMOS da 0.25m
JS = 1-5pA/
m for a 1.2m CMOS technology
JS raddoppia
ogni9C!
Js double with every 9oC increase in temperature
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Corrente di sottosoglia
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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
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L’invertitore
University of Padova
Information Engineering Dept. - Microelectronics lab
Elettronica Digitale
Invertitore CMOS
Simulazioni
Andrea Gerosa - [email protected]
Tel. 049-827-7728
Risposta al transitorio
Vin
Vout
Risposta al transitorio – raddoppio di CL
CL=100fF
tp scala
proporzionalmente a CL
(contributo
intrinseco
trascurabile)
Ic
Carica: Idd=Ic
Scarica: Idd=0
Idd
Risposta al transitorio – energia EVdd
 CLVdd2  1.1 pJ
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
Vin=0V
**** voltage sources
subckt
element 0:vdd
0:vin
volts
3.3000
0.
element
0:m2
region
Linear
id
-6.6294p
ibs
1.489e-26
ibd
1.072e-24
vgs
-3.3000
vds
-25.8835n
0:m1
Cutoff
29.3616f
-3.931e-27
-16.8386a
0.
3.3000
Correnti di sotto-soglia
Vin=200mV
**** voltage sources
subckt
element 0:vdd
0:vin
volts
3.3000
200.0000m
current -20.6266p
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
-
Evoluzione
della tecnologia
CMOS
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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
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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

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Generazioni tecnologiche
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Evoluzione della tecnologia (dati del 2000)
International Technology Roadmap for Semiconductors
Anno di
produzione
1999
Nodo tecnologico
[nm]
180
Alimentazione [V]
2000
2001
2004
2008
2011
2014
130
90
60
40
30
0.6-0.9
0.5-0.6
0.3-0.6
8
9
9-10
10
3.5-2
7.1-2.5
11-3
14.9
-3.6
1.5-1.8 1.5-1.8 1.2-1.5 0.9-1.2
Livelli di intercon.
6-7
6-7
7
Freq. max. [GHz],
Locale-Globale
1.2
Potenza Max. P [W]
90
106
130
160
171
177
186
Potenza Bat. [W]
1.4
1.7
2.0
2.4
2.1
2.3
2.5
1.6-1.4 2.1-1.6
Nuovi nodi: 2007/65nm, 2010/45nm, 2013/33nm, 2016/23nm
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Evoluzione della tecnologia (dati 1999)
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Scaling Tecnologico (1)
Minimum Feature Size (micron)
10
10
10
10
2
1
0
-1
-2
10
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Year
Dimensione minima
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Scaling Tecnologico (2)
Numero di dispositivi per chip
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Scaling Tecnologico (3)
tp diminuisce del 13%/anno
50% ogni 5 anni!
Tempo di propagazione
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Scaling Tecnologico (4)
/
4
x
3
1
0.1
0.01
80
MPU
DSP
85
90
Year
(a) Power dissipation vs. year.
95
1000

3
10
ars
e
y
0.7

100

Power Dissipation (W)
100
rs
Power Density (mW/mm2 )
ea
x 1.4 / 3 y
10
1
1
Scaling Factor 
（normalized by 4 m design rule ）
(b) Power density vs. scaling factor.
10
da Kuroda
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Evoluzione dei -Processori
1000
2x ogni 1.96 anni!
Transistor (MT)
100
10
486
1
386
286
0.1
0.01
8086
8080
8008
4004
8085
0.001
1970
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P6
Pentium® proc
1980
1990
Anno
2000
2010
L’invertitore
Consumo di potenza nei
-Processori
100000
18KW
5KW
1.5KW
500W
Potenza (Watt)
10000
1000
Pentium® proc
100
286 486
8086 386
10
8085
8080
8008
1 4004
0.1
1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008
Anno
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L’invertitore
Prestazioni dei Processor
P.Gelsinger: Processors for the New Millenium, ISSCC 2001
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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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