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© Circuiti Integrati Digitali L’invertitore
Consumo di potenzaConsumo di potenza
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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
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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
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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
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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!
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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
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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
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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
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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!
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Corrente di sottosogliaCorrente di sottosoglia
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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
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Evoluzione Evoluzione della tecnologia della tecnologia CMOSCMOS
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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
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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
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Generazioni tecnologicheGenerazioni tecnologiche
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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
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Evoluzione della tecnologia (dati 1999)Evoluzione della tecnologia (dati 1999)
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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)
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Scaling Tecnologico (2) Scaling Tecnologico (2)
Numero di dispositivi per chipNumero di dispositivi per chip
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Scaling Tecnologico (3)Scaling Tecnologico (3)
Tempo di propagazioneTempo di propagazione
tp diminuisce del 13%/anno 50% ogni 5 anni!
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Scaling Tecnologico (4)Scaling Tecnologico (4)
(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
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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!
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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)
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Prestazioni deiPrestazioni deiProcessorProcessor
P.Gelsinger: Processors for the New Millenium, ISSCC 2001
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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