エンベデッドシステムスペシャリスト 2021年午前2 問14

問題文

組込みシステムに適用されるCPUの低消費電力化技術に関する説明として、適切なものはどれか。

🖊️ 解答を隠して解いてみる

ア：トランジスタのしきい値電圧を低くすることによって、回路の動作は遅くなるがリーク電流が抑えられるので、低消費電力になる。

イ：トランジスタの消費電力は電源電圧の2乗に反比例するので、電圧を高くすることによって低消費電力になる。

ウ：パワーゲーティングを用いることによって、ダイナミックな消費電力は少なくなるが、リーク電流に起因する消費電力は抑えることができない。

エ：レジスタに供給するクロックがダイナミックな消費電力を増加させる要因の一つなので、不要なブロックへのクロックの供給を止めることによって低消費電力になる。（正解）

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正しいのはエです。

CPUでは、クロック信号に合わせて回路の状態が切り替わることで、ダイナミックな消費電力が発生します。そのため、処理に使っていないブロックへのクロック供給を止めると、回路の不要な切替えを抑え、消費電力を低減できます。この技術をクロックゲーティングといいます。

ア：誤りです。 しきい値電圧を低くすると、一般にトランジスタは動作しやすくなり、回路を高速化できます。一方で、オフ状態でも流れるリーク電流は増えやすくなります。「しきい値電圧を低くするとリーク電流が抑えられる」という説明が誤りです。
イ：誤りです。 ダイナミックな消費電力は、おおむね電源電圧の2乗に比例します。したがって、電圧を下げると消費電力を抑えられます。電圧を高くすると、消費電力は増加する方向です。
ウ：誤りです。 パワーゲーティングは、使っていない回路ブロックへの電源供給を遮断する技術です。これにより、動作中の切替えに伴う消費電力だけでなく、電源が供給された状態で生じるリーク電流も抑えられます。
エ：正しいです。 不要なブロックへのクロック供給を止め、回路の切替えを減らすクロックゲーティングの説明です。

CMOS回路のダイナミックな消費電力は、概算で次の式で表されます。

P \approx α C V^{2} f

ここで、

α

は回路の切替え頻度、

C

は負荷容量、

V

は電源電圧、

f

はクロック周波数です。クロックゲーティングは主に回路の切替えを減らし、電圧を下げる技術は電圧の2乗に応じて消費電力を減らします。

Q. クロックを止めると、リーク電流もなくなりますか？
A. クロックを止めても電源は供給されたままなので、リーク電流は残ります。リーク電流を抑えるには、電源を遮断するパワーゲーティングが有効です。

Q. クロックゲーティングはCPU全体のクロックを止める技術ですか？
A. 必ずしも全体を止めるわけではありません。一般には、処理に使っていないブロック単位でクロック供給を停止します。

関連キーワード: クロックゲーティング、パワーゲーティング、ダイナミック消費電力、リーク電流、しきい値電圧

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