动态功耗与静态功耗

0 英文缩写

• SOI（Silicon on Insulator）绝缘体上硅
• FET（Field-Effect Transistor）场效应管
• CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互补金属氧化物半导体

1 功耗分类

CMOS电路功耗主要可以通过如下方式切分：

• 动态功耗
  • 开关功耗（又称为反转功耗）（switching power）
  • 短路功耗（又称为内部功耗）（internal power）
• 静态功耗（也称为待机功耗、泄露功耗，包含有电路中晶体管的漏电流所导致的功耗）（Static Power、Leakage power）

2 动态功耗

2.1 开关功耗

定义：电路在开关过程中对输出节点的负载电容充放电所消耗的功耗

比如对于下面的CMOS非门中：

• 当$V_{in}$=0时，上面的PMOS管导通，下面的NMOS管截止；$V_{DD}$对负载电容$C_{load}$进行充电
• 当$V_{in}$=1时，上面的PMOS管截止，下面的NMOS管导通；$V_{SS}$对负载电容$C_{load}$进行放电

这样开关的变化，电源的充放电，形成了开关功耗，开关功耗的计算公式如下
$$P_{\text{switch }}=\frac{1}{2}{V}_{DD}^2\ast C_{\text{load }}\ast T_r$$

$V_{DD}$为供电电压

$C_{\text{load }}$为后级电路等效的电容负载大小

$T_r$为输入信号的翻转率，也有另外一种写法，$f$为时钟频率，一个周期信号翻转两次，所以这里没有 1/2
$$P_{\text{switch }}=V_{DD}^2\ast C_{\text{load }}\ast f$$

通过这个式子可以发现只要有时钟，或者信号跳变，就存在动态功耗。

它与电路的工作频率成正比，与负载电容成正比，与电压的平方成正比。

开关功耗是由于电路对负载的充放电引起。同时负载会导致transition time的增加，从而影响短路功耗的增加。

2.2 短路功耗

由于输入电压波形并不是理想的阶跃输入信号，有一定的上升时间和下降时间，在输入波形上升下降的过程中，在某个电压输入范围内，NMOS和PMOS管都导通，这时就会出现电源到地的直流导通电流，这就是开关过程中的短路功耗。短路功耗产生的条件一样是需要信号产生跳变。

当一个简单的cell的transition time非常长时，它的短路时间会变长，从而显著增加短路功耗。而对于一个复杂的cell，它的internal power有可能主要组成部分是对内部电容的充放电所组成。

3 静态功耗

3.0 简述

静态功耗是指电路在等待或者没有翻转情况下的功耗。 Static Power 与 CMOS的各种泄漏电流有关，静态功耗的概念非常重要，某种意义上它与MOS管本身的结构有关，受温度等外界温度的影响。它与频率无关，所以不能通过降频的方式降低静态功耗，同时Static Power与温度成指数关系，在温度较高时，Static Power会变得非常大。 Leakage Power可以从lib／db中得到，跟input pin的状态有关。

在CMOS电路中，静态功耗主要是漏电流引起的功耗。对于常规CMOS电路，在稳态时不存在直流导通电流，理想情况下静态功耗为0，但是由于泄露电流的存在，使得CMOS电路的静态功耗并不为0。一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流，CMOS泄露电流主要包括：

• PN结反向电流 $I_{\text{junction }}$
• 亚阈值漏电流 $I_{\text{sub}}$
• 栅极感应漏极泄漏 $I_{\text{GIDL}}$
• 栅极隧穿电流 $I_{GT}$

3.1 PN结反向电流（$I_{\text{junction }}$）

• 英文：PN-junction Reverse Current
• 成因：源/漏区与衬底形成的PN结在反偏时，耗尽区内的少子漂移和热生成载流子（反向饱和电流）。即为反偏二极管的泄漏电流。
• 公式：$I_{\text{junction }}\propto e^{-q{V}_{bi}/(kT)}\cdot \sqrt{V_R}$
  • $V_{bi}$为内建电势
  • $V_R$为反向偏压
• 抑制手段：
  • 优化阱掺杂浓度
  • 采用SOI（绝缘体上硅）技术消除衬底漏电路径

3.2 亚阈值漏电流（$I_{\text{sub}}$）

• 英文：Sub-threshold Current
• 成因：指源极和漏极之间的亚阈值泄漏电流，即为栅极电压低于导通阈值（$V_{GS}<V_{th}$）时，仍会产生从FET漏极到源极的泄漏电流，是弱反型层电流（量子隧穿效应主导）。
• 公式：$I_{\text{sub}}\propto e^{\left(V_{GS}-V_{th}\right)/(n\cdot kT/q)}$
  • $n$ 亚阈值摆幅因子
  • $V_{GS}$ 栅压
  • $V_{th}$ 阈值电压
• 设计对策：
  • 采用高阈值电压（HVT）器件
  • 动态阈值调整（Body Biasing），通过衬底偏置进行增加阈值电压
  • 电源门控（Power Gating）切断闲置模块供电

3.3 栅极感应漏极泄漏（$I_{\text{GIDL}}$）

• 英文：Gate Induced Drain Leakage
• 成因：高$V_{DS}$下，漏极强反型导致栅-漏重叠区产生带间隧穿电流。在栅极上加信号后（即栅压），从栅到衬底之间存在电容，因此栅极和漏极之间存在感应漏电流，由此产生功耗。
• 触发条件：
  • 深亚微米工艺（栅氧化层薄，电场强度高）
  • 高漏极电压（如I/O接口电路）
• 缓解方案：
  • 优化栅漏交叠区结构（如LDD轻掺杂漏）
  • 降低工作电压（如从1.2V降至0.8V）

3.4 栅极隧穿电流（$I_{GT}$）

• 英文：Gate Tunneling Leakage
• 物理机制：栅极和衬底之间的隧道漏电流，超薄栅氧（<2nm）下，电子通过量子隧穿穿透栅介质层（直接隧穿/Fowler-Nordheim隧穿）。
• 公式：$J_{tunnel}\propto E_{ox}^2\cdot e^{-B/E_{ox}}$
  • $E_{ox}$为栅氧电场强度
  • $B$为材料相关常数
• 技术演进：
  • 传统SiO₂ → High-K介质（如HfO₂）
  • 金属栅（消除多晶硅耗尽效应）

3.5 静态功耗总结

静态功耗是深亚微米芯片设计的核心挑战之一，需从器件物理、电路架构、系统调度多层级协同优化。理解其微观机制（如量子隧穿）和宏观模型（如库文件参数化），是低功耗芯片设计的关键基础。

单个模块的静态功耗计算公式如下：
$$P_{\text{leakage }}=(I_{\text{junction}}+I_{\text{sub}}+I_{\text{GIDL}}+I_{\text{GT}})\ast V_{DD}$$
整个芯片的静态功耗计算公式如下：
$$P_{\text{static }}=\sum _{i=1}^N\left(P_{\text{leakage},i}\cdot T_{\text{active},i}\right)$$

• $T_{\text{active},i}$ 为模块的上电活动时间占比

3.6 静态低功耗设计

当一个芯片温度过高时，一般采取什么措施是降频，降频的动作可以由控制系统自动完成。但是leakage不同于dynamic power，它与频率无关，所以降频对leakge power没有任何影响。

同时leakage与温度可成指数关系，当温度越高时，温度的影响越大。某些工艺下，90升至100度变化时，leakage可成十倍以上关系，leakage的暴增，导致温度进一步升高。形成恶性循环，直至芯片功能失效或烧毁。

这就是leakage power的可怕之处，也就是为什么我们需要非常谨慎的使用LVT ULVT，关注LVT比例。我在这里的建议是leakage功耗尽量控制在总功耗的15%以下（85°c）。

低功耗设计策略：

• 多阈值电压设计：关键路径用LVT，非关键路径用HVT
• 电源域划分：通过PMU动态关断闲置模块电源

Last 参考链接

• “IC常用知识4-静态功耗和动态功耗-CSDN博客”
• “为什么需要对芯片的leakage功耗特别关注？ - 极术社区 - 连接开发者与智能计算生态”
• “（数字IC）低功耗设计入门（七）——门级电路低功耗设计优化（续） - IC_learner - 博客园”
• “数字电路低功耗设计-CSDN博客”
• “CMOS电路的功耗_cmos动态功耗-CSDN博客”
• “反向漏电流_百度百科”
• “GIDL_百度百科”
• “静态功耗 计算 - 春风一郎 - 博客园”
• “聊聊芯片中的静态功耗（Leakage Power）-CSDN博客”
• “CMOS IC功耗类型及其影响因素_芯片设计功耗组成和影响因素-CSDN博客”