效能、功耗與能量

靜態功耗/漏電(static / leakage power)

想像一個水箱,水龍頭關緊了,但密封處整天都有一滴一滴慢慢滲出來。你並沒有刻意用任何水,水箱卻一直在流失。現代的電晶體就像這樣:即使它被關掉、什麼都不做,仍有微小的電流從它身上漏過去。把那股細流乘上數十億個電晶體,你就得到靜態功耗——晶片光是通電就燒掉的功率,無論它是否在運算。

靜態功耗,也叫漏電功耗,只要晶片被施加電壓就會消耗,和它切換多快無關。它的主要來源是名義上「關閉」的電晶體上的漏電電流——隨著電晶體變小,它們的絕緣層薄到電子會穿隧、滲漏過去。漏電隨溫度急遽上升(熱的晶片漏更多,於是更熱,這是個危險的回饋),也隨較低的閾值電壓上升。不像動態功耗可以靠放慢時脈削減,靜態功耗即使對一個閒置的核心也持續流失——唯一能止住它的方法,是把那個區塊的電源整個切斷。

靜態功耗就是為什麼簡單的動態公式不再是全部真相,也是它重塑設計的原因。在較舊、較大的製程裡,漏電可忽略,工程師可以不理它;到了約 90 奈米世代以下,它成了總功率中很大的一塊,有時甚至是主導的那一塊。這是 Dennard 微縮終結的一大原因:你不能再免費地縮小電晶體並降低電壓了,因為漏電拒絕跟著它們一起縮小。實務上的解答是功率閘控(字面意義上把供電切給未使用的區塊關掉)和暗矽(接受你無法讓每個電晶體同時通電並切換)。

一顆筆電晶片閒置時所有核心都「開著」卻不做工,仍然抽取數瓦的功率——那主要是漏電。解法是功率閘控:作業系統告訴硬體把閒置核心的供電斷開,使它們的靜態功耗降到近乎零,代價是重新供電時有一點小延遲。

放慢時脈無法止住漏電;只有切斷供電(功率閘控)才行。這正是閒置核心所仰賴的。

靜態功耗不會因為核心閒置但仍通電就消失——只有移除它的供電才行。漏電也隨溫度陡升,形成一個散熱設計必須遏制的回饋迴圈。

又稱
leakage powerstandby power靜態功耗漏電功耗待機功耗