低功耗設計與 UPF
動態功耗(dynamic power)
動態功耗是晶片每次訊號由 0 翻成 1(或反向)時所燃燒的能量——它是「真正做事」的代價。想像一排傳水桶的隊伍:晶片上每條導線都是一個小水桶(電容),要拉高就得把電荷灌滿、要拉低就得倒掉。每一次灌滿再倒掉都會灑出一點水,那灑掉的水就是浪費的能量。翻動的水桶越多、翻得越快,灑掉的就越多。
經典公式為 P_dyn = α·C·V²·f:α 是活動因子(每個週期有多少比例的節點翻轉)、C 是被切換的電容、V 是供應電壓、f 是時脈頻率。注意電壓是平方項——把 V 砍半,功耗就降到四分之一,這正是低功耗設計拼命想用「仍能正常運作的最低電壓」的原因。現代 5 奈米 SoC 核心全速運轉時動態功耗可達數瓦,而把閒置區塊的時脈關掉(時脈閘控)是把 α 降到零最便宜的辦法。
P_dyn = α · C · V² · f
動態功耗有兩部分:切換功耗(對負載電容充電)加上短路功耗(轉態瞬間上拉與下拉電晶體同時導通的短暫時刻)。在設計良好的 CMOS 中以切換項為主。
又称
另见