芯片功耗 芯片的三大類功耗知識(shí)詳解

有時(shí)，參與IC設(shè)計(jì)的人可以對他們特定的專業(yè)領(lǐng)域有一個(gè)非常狹隘的看法。本文在介紹一些基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，旨在為團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人提供全球概覽，重點(diǎn)關(guān)注功耗（以及即將發(fā)表的文章中的減少）。隨著MOS尺寸的減小，芯片制造領(lǐng)域變得容易受到量子效應(yīng)的影響，這可能會(huì)對功耗造成嚴(yán)重破壞。

它們是：動(dòng)態(tài)功率，短路耗散和漏電功耗。下面將詳細(xì)討論這些類別及其組件中的每一個(gè)。請注意，除非另有說明，否則下面的描述僅涉及NMOS，也可以為PMOS導(dǎo)出類似的解釋。 “MOS”通常用于指代MOSFET和CMOS。

漏電功耗：這些功耗組件近來受到最多的關(guān)注。并非所有泄漏消耗的組成部分都存在或占據(jù)四分之一微米及以上節(jié)點(diǎn)，因此，它在整體功耗中貢獻(xiàn)的可忽略不計(jì)。然而，隨著技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致MOS的縮小，量子力學(xué)效應(yīng)開始出現(xiàn)并導(dǎo)致許多這些漏電流成分。這是能量耗散的組成部分，其在備用操作中主要影響芯片的操作，因?yàn)槠渌M件在此期間抓住了。因此，為了實(shí)現(xiàn)芯片中的低功率目標(biāo)，必須尋找可能起作用的各種泄漏成分源。泄漏消耗的主要來源如下：

1.1弱反轉(zhuǎn)電流/亞閾值電流：MOS的亞閾值區(qū)域是操作區(qū)域，其中V GS ≈V T 和V DS > 0（在上下文中） NMOS）。在該區(qū)域中，電壓不足以構(gòu)建用于MOS開始導(dǎo)電的完整表面溝道。然而，一些電子可以獲得足夠的能量從源極到漏極交叉。該電流稱為亞閾值電流?？梢詮南旅娴牡仁街欣斫庠撾娏鞯慕浦担?/p>

其中，

i SUB =亞閾值電流

α=某些過程和技術(shù)相關(guān)的常數(shù)。

T =以開爾文為單位的溫度

Cox =氧化物引起的電容。

n =另一個(gè)過程相關(guān)常數(shù)。

V GS =柵源電壓

k =玻爾茲曼常數(shù)

V T =閾值電壓

W =通道寬度

L =通道長度

q =電子電荷

正如我們所看到的在上式中，亞閾值電流隨著L的減小而增加，隨著V T 的下降呈指數(shù)增加，并隨溫度的增加而增大。隨著CMOS工藝的縮小，L值降低，V T 必須降低，以便更好地發(fā)揮MOS邏輯功能（更高的V T 器件需要更多時(shí)間來切換狀態(tài)，降低設(shè)備的最大運(yùn)行速度）。因此，該電流隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的降低而增加，并且在深亞微米技術(shù)中變得非常重要。當(dāng)電路在適當(dāng)?shù)娘柡?關(guān)閉區(qū)域中操作時(shí)，該操作區(qū)域不起作用。然而，在電壓降低的低功率操作期間，可以達(dá)到滿足有助于亞閾值操作區(qū)域的電壓條件的階段，并且該部件變得很大。此外，應(yīng)該注意，模擬電路在其電路實(shí)現(xiàn)中使用這一范圍的操作，以便在此操作范圍內(nèi)使用高增益區(qū)域。

圖1：各種泄漏電流

1.2結(jié)反向偏置電流：在擴(kuò)散區(qū)和基板邊界之間形成一些寄生二極管。這些寄生蟲傾向于使一些少數(shù)電流從漏極漂移到襯底。而且，在耗盡區(qū)中產(chǎn)生的一些電子 - 空穴對有助于電流流向襯底。該凈電流稱為結(jié)反向偏置電流。該電流與摻雜濃度有直接關(guān)系，隨著摻雜的增加趨勢會(huì)增加。

圖2：反向偏置PN結(jié)電流

1.3漏極感應(yīng)勢壘降低（DIBL）：隨著漏極電壓的增加，它會(huì)影響漏極區(qū)域周圍的耗盡區(qū)域當(dāng)?shù)胤e聚了潛力。這導(dǎo)致耗盡區(qū)的寬度增加和漏區(qū)周圍的表面電位增加。在長溝道MOS中，源極與漏極相距一定距離，對源極區(qū)域沒有太大影響。因此，源和通道之間的潛力不會(huì)改變。然而，隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小，漏極和源極之間的距離減小。結(jié)果，由于漏極處的電壓，源區(qū)也開始受到影響。這導(dǎo)致耗盡寬度的增加和耗盡溝道的源極側(cè)附近的表面電勢的增加。因此，對于給定的柵極電位，勢壘降低并且更多電子開始從源極側(cè)向漏極側(cè)移動(dòng)。這被稱為Drain Induced Barrier Lowering。由于載波可用性增加，導(dǎo)致關(guān)斷電流增加。

1.4穿透電流：穿透電流是DIBL的一種極端形式。當(dāng)漏極電壓達(dá)到超過一定水平時(shí)，耗盡區(qū)域深入到阱中。結(jié)果，柵極電壓失去對通過MOS的電流的控制，并且大量電流開始流過它。該電流與V DS （漏極 - 源極電壓）呈二次關(guān)系變化。這是決定操作變化的電壓范圍隨著MOS尺寸和氧化物厚度的減小的因素之一。隨著MOS的縮小，源極和漏極節(jié)點(diǎn)之間的距離減小，因此，相同的V DS 現(xiàn)在將在漏極和源極節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生更大的電場。這個(gè)高場可以引起穿通電流。因此，當(dāng)MOS尺寸縮小時(shí)，必須降低電源電壓。

1.5柵極引漏漏電流（GIDL）：假設(shè)漏極連接到電源，柵極連接到地或負(fù)電源。這將導(dǎo)致在柵極下方的漏極區(qū)域中產(chǎn)生電場。該場將在漏極中產(chǎn)生耗盡區(qū)。這種結(jié)果導(dǎo)致漏極附近的場擁擠和高場效應(yīng)開始發(fā)生，例如雪崩倍增和帶間隧穿。結(jié)果，少數(shù)載流子在柵極下方的漏極中發(fā)射。當(dāng)襯底處于較低電位時(shí)，在漏極耗盡區(qū)附近累積的少數(shù)載流子被掃描到襯底。該電流稱為柵極感應(yīng)漏極漏電流。該電流受施加的電壓和柵極氧化層厚度的影響很大。

1.6柵極隧穿電流：隨著我們將技術(shù)縮小到深亞微米級別，柵極下方氧化物的厚度也會(huì)減小。在當(dāng)今的技術(shù)中，這是在1-2nm厚度的范圍內(nèi)。重?fù)诫s溝道和超薄氧化物層在氧化物區(qū)域中產(chǎn)生非常高的電場，大約為MV/cm。因此，電流載流子可以穿過氧化物區(qū)域，從而產(chǎn)生柵極電流。施加的電壓量越大，載流子穿過氧化物層的可能性就越大。該電流不僅等于來自柵極端子的漏電流，而且還可以減少流過漏極的電流。這可能會(huì)妨礙設(shè)備的性能。為了抵消這種電流，使用多晶硅柵極代替金屬柵極。

短路功耗：這是設(shè)備功耗的另一個(gè)組成部分。當(dāng)電路輸入發(fā)生邏輯變化時(shí)，它可能會(huì)改變其輸出狀態(tài)。在此過渡期間，一些MOS將從OFF變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)，而另一些則沿著相反的路徑。由于輸入需要一些有限的時(shí)間才能在兩個(gè)邏輯狀態(tài)之間切換，因此在這個(gè)過渡階段，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小周期，NMOS和PMOS都在導(dǎo)通，而且沒有一個(gè)處于OFF狀態(tài)。在此期間，一些電流流過它們，這被稱為短路電流。該電流對任何內(nèi)部電容（結(jié)，互連和擴(kuò)散電容）充電都沒有貢獻(xiàn)，因此有助于純粹的功率損耗。

考慮輸入A從低到高的轉(zhuǎn)換.nMOS當(dāng)水平達(dá)到V Tn 時(shí)開始進(jìn)行。此時(shí)，pMOS仍然導(dǎo)通并保持導(dǎo)通，直到輸入達(dá)到（VDD- | V Tp |）的水平，其中V Tn 且V Tp 分別是nMOS和pMOS的閾值電壓。當(dāng)nMOS或pMOS中的任何一個(gè)進(jìn)入截止階段時(shí)，導(dǎo)通停止并且短路電流路徑斷開。類似的路徑跟隨輸入的下降轉(zhuǎn)換，其中pMOS接通而nMOS仍在導(dǎo)通。如果輸入的上升和下降時(shí)間很長或者負(fù)載電容低，則該電流變得相當(dāng)大。為了應(yīng)對這種損失，輸入上升和下降的延遲減小，輸出電容增加。

圖3：CMOS逆變器中的短路電流。

3.動(dòng)態(tài)能耗：動(dòng)態(tài)能耗是由于切換造成的消耗由于在輸入中切換而導(dǎo)致的單元格。因此，這也稱為開關(guān)能量。當(dāng)單元將其狀態(tài)從邏輯高變?yōu)檫壿嫷突蚍粗畷r(shí)，各種內(nèi)部電容（結(jié)，互連和擴(kuò)散電容）相應(yīng)地充電或放電。能量來自電源，為這些電容器充電，稱為動(dòng)態(tài)電源。這種能量消耗曾經(jīng)是四分之一節(jié)點(diǎn)（250μm）技術(shù)中最主要的消耗，泄漏電流微不足道。然而，隨著技術(shù)的萎縮，功能電流減少，泄漏成分增加了許多倍。然而，盡一切努力使開關(guān)功耗最小化以降低應(yīng)用的總能量消耗。

圖4：切換CMOS電路中的電流。

如果CMOS單元中的所有寄生電容都集中在一起然后，如果輸出電平從V DD 變?yōu)榻拥?，則負(fù)載電容C的總能量消耗為CV DD 2 。除此之外，一半的能量存儲(chǔ)在負(fù)載電容器C中，剩余的一半能量被耗散。類似地，當(dāng)輸出變回地面時(shí)，會(huì)發(fā)生類似的能量耗散。因此，這種開關(guān)能量消耗與VDD和開關(guān)頻率直接相關(guān)。因此，降低供電電壓是降低動(dòng)態(tài)消耗的一種方法。然而，V DD 的減少導(dǎo)致細(xì)胞變慢，因此，有效地降低了操作的最大頻率。此外，頻率的降低導(dǎo)致相同的操作需要更多的時(shí)間。平均開關(guān)能耗為：

av = f·C·V 2

其中， f 是操作頻率。該功耗完全獨(dú)立于輸入和輸出信號的上升和下降時(shí)間。

轉(zhuǎn)換能耗的另一個(gè)因素是動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)和故障造成的損失。由于進(jìn)入或在電路內(nèi)部路徑中的各種輸入的路徑中的不平衡延遲，可能在電路中出現(xiàn)毛刺?？紤]如下所示的電路。

圖5：毛刺產(chǎn)生，電路和時(shí)序圖。

考慮兩個(gè)輸入處于邏輯1的情況，由V DD，表示，信號A和B以一定延遲過渡，如相鄰時(shí)序圖所示。由于A和B到達(dá)之間的不平衡延遲，輸出信號Z在短時(shí)間內(nèi)被斷言為1。這種過渡稱為毛刺/危險(xiǎn)。另一方面，如果 A 比B的斷言早下降，則輸出中不會(huì)出現(xiàn)任何毛刺，因?yàn)檩敵鯝ND門之一將在其他輸入斷言之前切換為零。因此，以這樣的方式滿足定時(shí)，即去除或最小化這種毛刺。但是，在某些情況下，這種行為可能是為了阻止電路中的競爭條件。為此，并非所有輸入都同時(shí)切換。在不能完全去除這些毛刺的情況下，可以在輸出處放置邏輯以吸收這些毛刺以阻止它們傳播到跟隨邏輯，例如，在路徑中添加一些緩沖器以吸收這些毛刺并平衡路徑的時(shí)序。