芯片功耗與溫度的相互影響

芯片內(nèi)部的每個(gè)電路都被設(shè)計(jì)成執(zhí)行某個(gè)特定的功能，這些電路的功耗取決于幾個(gè)因素，包括晶體管的數(shù)目和密度，轉(zhuǎn)換速度有多快，以及在芯片上晶體管被放置的位置。耗散功率被轉(zhuǎn)換成熱，必須去除這些熱，以得到具有熱可靠的系統(tǒng)。功率密度和除熱速度決定了電路的溫度。溫度的變化改變了器件和互連元件的特性，并且作為結(jié)果，會(huì)影響電路和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

        功耗是產(chǎn)生熱量的來(lái)源，并導(dǎo)致整個(gè)芯片溫度的升高。升高的溫度也將導(dǎo)致功耗增加，在電路中，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)有功率消耗。在超大規(guī)模集成電路中，器件和互連元素都會(huì)增大總功耗。電源電流進(jìn)入總互連線，并且流經(jīng)多個(gè)金屬層，來(lái)為芯片襯底上的器件提供電源。作為總熱量的主要貢獻(xiàn)者，器件消耗三種類(lèi)型的功耗：動(dòng)態(tài)功耗、短路功耗及靜態(tài)功耗：

        式中，Pdynamic是邏輯單元輸出轉(zhuǎn)換時(shí)的動(dòng)態(tài)功耗；Pshort-circuit是與短路電流相關(guān)的短路功耗，短路電流又稱為射穿電流；Pstatic 是器件由于漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。

動(dòng)態(tài)功耗

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，動(dòng)態(tài)功率占據(jù)總功耗的大部分，它可以表示為

        式中，0≤ α≤1是節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換活動(dòng)因子；C是負(fù)載電容；VDD是電源電壓；f是時(shí)鐘頻率。很明顯，電路的轉(zhuǎn)換速率越大，功耗越高，所以溫度也越高。此外，晶體管越大，其轉(zhuǎn)換電容越大。 因此，對(duì)于功耗減少和溫度管理技術(shù)，晶體管尺寸的大小很重要。上式強(qiáng)調(diào)了在動(dòng)態(tài)功耗中電源電壓的意義，具體地說(shuō)，是它與電源的二次元關(guān)系。而且，時(shí)鐘頻率與電源有直接的關(guān)系，因此，高性能電路表現(xiàn)出更高的工作溫度。除了設(shè)備，互連電阻的功耗也占據(jù)動(dòng)態(tài)功耗的很大部分，將此稱為自熱耗散。    

        式中，Irms表示流過(guò)互連線的均方根電流；R表示互連部分的電阻。產(chǎn)生功耗的三個(gè)主要互連種類(lèi)是：時(shí)鐘、信號(hào)及電源分布網(wǎng)絡(luò)。由于高密度和長(zhǎng)度，信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的消耗在局部互連功耗中占有很大比例。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)約占總互連網(wǎng)絡(luò)的1%，約占總長(zhǎng)度的4%。然而，由于高轉(zhuǎn)換速率，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)成為主要的功耗產(chǎn)生部分。第三個(gè)互連類(lèi)別，電源/地網(wǎng)絡(luò)，在其多層次結(jié)構(gòu)上也產(chǎn)生功耗。這里從電源流到負(fù)載的直流電流導(dǎo)致了自熱耗散。同時(shí)，從有效的去耦電容流入或流出的充電或放電電流也導(dǎo)致了額外的自熱耗散。

        為了更精確評(píng)估功耗，進(jìn)一步將線分為局部互連和全局互連。通常插入buffer來(lái)減少長(zhǎng)互連的延遲。

短路功耗

        第二項(xiàng)為短路功率，當(dāng)PMOS和NMOS 晶體管在邏輯單元開(kāi)關(guān)電路中時(shí)，在轉(zhuǎn)換期間，有一個(gè)短暫的瞬間，兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通。這將在電源和地之間創(chuàng)建一個(gè)直接的通路。這個(gè)功耗取決于輸入信號(hào)的斜率和負(fù)載電容。因此用一個(gè)公式對(duì)所有的工作狀態(tài)下的功耗進(jìn)行建模，是很困難的。

然而，當(dāng)對(duì)輸入波形和輸出電容進(jìn)行一些假設(shè)時(shí)，可以得到一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式。接下來(lái)估算不帶負(fù)載的反相器的短路功耗：

        式中，β是晶體管增益系數(shù)；τ是輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間，輸入信號(hào)的斜率越小，功耗越大，并且轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。

        此外，載流子遷移率和閾值電壓是與溫度有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)會(huì)影響短路電流。 功耗與短路電流有關(guān)，但是由于在高性能電路中轉(zhuǎn)換速度很快，因此短路電流對(duì)功耗的影響會(huì)減小一些。    

漏電流功耗

        最后一項(xiàng)為靜態(tài)功率，在一些電路中，通過(guò)設(shè)計(jì)在供電電源與地之間有一個(gè)連續(xù)的電流通路。然而在數(shù)字COMS電路中，漏電流是主要的靜態(tài)功耗來(lái)源。 圖展示了在NMOS晶體管中組成漏電流的三個(gè)主要部分：亞閾值漏電流IS、柵極漏電流IG以及反偏結(jié)漏電流 IR。

        其中，IS是晶體管處于閉合狀態(tài)下，從漏極到源極通道的亞閾值漏電流，此時(shí)柵源電壓Vgs要小于閾值電壓（Vgs < Vth）。當(dāng)通道中有足夠多的電子，可以在漏極和源極之間形成導(dǎo)電路徑時(shí)的電壓稱為閾值電壓V th。 電流IS是擴(kuò)散電流，它由通道中少數(shù)載流子移動(dòng)產(chǎn)生。 亞閾值漏電流與Vgs和Vth成指數(shù)關(guān)系：

        式中，VT是熱電壓；Vds是漏源電壓；n和I0是與器件相關(guān)的常數(shù)。隨著Vth減少，電流 IS增加。同時(shí)隨著通道長(zhǎng)度與氧化層厚度增加，閾值電壓會(huì)減小。

        漏極和源極的耗盡區(qū)擴(kuò)展到通道內(nèi)時(shí)，其對(duì)電磁場(chǎng)和溝道內(nèi)電勢(shì)的影響會(huì)增大，這個(gè)叫做短通道效應(yīng)（short channel effect，SCE）。當(dāng)通道長(zhǎng)度變短時(shí)，SCE將導(dǎo)致閾值電壓的碾軋效應(yīng)。因此減小器件尺寸，可以帶來(lái)閾值電壓的減小，隨后會(huì)產(chǎn)生更大的亞閾值漏電流。此外， 該電流與溫度具有超線性關(guān)系，如圖所示，所以該電流成為電源管理中的一個(gè)重要參數(shù)。電流IG是流經(jīng)柵極氧化層的電流，該電流由載流子隧道效應(yīng)產(chǎn)生。    

        柵極漏電流包括柵極到溝道、柵極到源極或漏極的交疊區(qū)域及柵極到襯底的電流組成。 該電流與氧化層厚度和電源電壓成指數(shù)關(guān)系。

        漏電流的另一個(gè)組成部分是反向結(jié)電流IR，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，電路流經(jīng)帶間隧穿（BTBT） 節(jié)點(diǎn)。電流IR與柵極或者源極耗盡區(qū)的面積大小相關(guān)。IR也與結(jié)電場(chǎng)及結(jié)的摻雜濃度有關(guān)。 由于柵極和源極與襯底有關(guān)，因此兩極的勢(shì)能越高，越會(huì)導(dǎo)致更大的帶間隧穿。盡管在高溫下（～150℃），漏電流的組成部分具有溫度依賴性，但是在低溫下，它的溫度敏感性很低。

        理想情況下，在超閾值運(yùn)行機(jī)制下，當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，我們可以將流經(jīng)晶體管的電流最小化。 因此，采用一系列的設(shè)計(jì)或工藝技術(shù)，來(lái)減少所有的漏電流組成部分。然而，在有些情況下， 漏電流對(duì)亞閾值集成電路的工作狀態(tài)是至關(guān)重要的。這些情況指的是低功耗或者低性能的應(yīng)用，這些應(yīng)用的電源電壓低于閾值電壓，并且通常在亞閾值機(jī)制下運(yùn)行。