電源電圧が削減された時の電力の問題で・・・

質問

次世代の半導体製造テクノロジでは、クロック周波数と容量性負荷が変わらないならば、電源電圧が10％減らされた場合、動作電力の削減は何％になるか？
という問題で、
電力P（W）＝電圧E（V）×電流 I （A）より、
電源電圧が10％減らされたら全体の電力も10％減るで正しいでしょうか？
あまりにも単純すぎて正解している気がしません・・・

回答No.3

sirasagi01 · ベストアンサー

問題を、解を求める方向で整理します。
クロック電源が完全なる矩形波(立ち上がり/立下り時間がゼロ)でその負荷が容量性のみとなれば、そのon/offで無限大の電流が流れることになりますが、現実的には制限があります。
ここでは、その制限要因を一定の抵抗値、また容量を一定と仮定すると、等価回路は、
クロック電源+抵抗R+コンデンサC、となります。
また、クロックオン/オフ共にクロック電源側内部抵抗はゼロとします。

こうすれば、単なるCR回路の過渡応答の繰り返しになります。
動作電力は、クロック電圧有りのときは、CRに流れ込む電流により抵抗で消費される電力となり、クック電圧ゼロでは、Cが放電する電流により抵抗で消費される電力となります。
つまり、Cは電力を消費しません。
電力は電流の二乗に比例し、その電流は電圧(クロック電圧)に比例します。
これにより、クロック電圧が電源電圧そのものとすれば、その電圧が90%に低下すれば、消費電力はその二乗の81%に低下します。
これらは、過渡応答の電流の二乗を積分して抵抗を掛けて電力を求めたり、エクセルでも時間を細分化してそれぞれ電力を求めて積算すれば結果を出せます。ここで、クロック電圧を変数として、1.0と0.9を適用すれば、その比率は1.00対0.81となるはずです。
かように、動作電圧の低減効果は大きく現れます。

貴殿の仮定では、電圧が変わっても電流が変わらない、としている所が「失点」です。
電力=電圧^2/抵抗分、と考えるべきです。

以上の解説は、強引に、冒頭の「解を求める方向で整理」した条件に基づきます。
実際の回路では、寄生容量や寄生・回路抵抗分は、電圧や電流、消費熱、などにより変化するため、一義的には求まりません。たとえば寄生ダイオードでは、順方向では電流やその消費熱で抵抗成分(電圧電流傾斜)が変わり、逆方向では印加電圧で容量分が変化します。

ご参考まで。

回答No.2

tadys

出題者の意図は分かりますが、問題としては不適切ですね。

CMOSロジックでは、１クロックの動作で、負荷容量が充電／放電されます。
容量Cのキャパシタを電圧Vに充電するには1/2・CV＾2のエネルギーが必要です。
このエネルギーは放電時に消費されます。

次の参考資料によれば、CMOS LSIの消費電力は下記の様になります。
http://www.oki.com/jp/Home/JIS/Books/KENKAI/n188/pdf/188_R09b.pdf
＞P＝1/2・CV＾2・fN＋QVfN＋Iｌ・V ここで，Pは消費電力，Cは負荷容量，fは周波数，Vは電源電圧，N信号のスイッチング係数，Qは貫通電流による電荷，Iｌはリーク電流である。

電源電圧の高いCMOSロジックの消費電力では、第１項が支配的な値を占めているので電圧の２乗に比例するとして良いでしょう。（これが出題者の考える答え）

しかし、電源電圧が１V以下になってくると第２項や第３項が無視できなくなってきます。
次世代の半導体での低消費電力化はこの問題が大きな課題になっています。
こちらを参考に
http://www.google.co.jp/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=5&ved=0CEoQFjAE&url=http%3A%2F%2Fwww.ocw.titech.ac.jp%2Findex.php%3Fmodule%3DGeneral%26action%3DDownLoad%26file%3D20121224515019-11-0-41.pdf%26type%3Dcal%26JWC%3D20121224515019&ei=sohlUvCTAYnUkAWUsYDgBw&usg=AFQjCNEhLPsuqjLmYTNZBfu49k6TGLO9ZQ&bvm=bv.55123115,d.dGI&cad=rja

回答No.1

DCI4

★回答

マスタークロック周波数がかわらなくても　
ＬＳＩのすべての　入出力ポートのスイチングや
内部の回路のスイッングが同じじゃないです
よって単純に電力は出ません。

※わかりやすい例
(1)パソコンのＣＰＵクロックを固定で使用しても
演算が大変なソフトを回しつずければ
ＣＰＵ温度が上昇します。
あなたの使ってるパソコンでわかるでしょう
近頃は　フリーソフトでクロックと温度見れますから。
熱はおもな電力の理由です。

(2)デバイスによっては　マスタークロック同じで
内部をマルチＭＰＵにして
同じソフトを走らせた場合　低消費電力になります。
と言うことを売りにしてるＤＳＰチップもあります。