¿Por qué un reloj más rápido requiere más energía?

Question

Si haces overclocking a un microcontrolador, se calienta.

Si haces overclocking a un microcontrolador, necesita más voltaje.

De alguna manera abstracta tiene sentido: está haciendo más cálculos, por lo que necesita más energía (y al ser menos que perfecta, parte de esa energía se disipa en forma de calor).

Sin embargo, desde el nivel de la ley de Ohm de la electricidad y el magnetismo, ¿qué está pasando?

¿Por qué la frecuencia de reloj tiene que ver con la disipación de energía o la tensión?

Hasta donde yo sé, la frecuencia de la CA no tiene nada que ver con su tensión o potencia, y un reloj es sólo una superposición de una CC y una CA (cuadrada). La frecuencia no afecta a la CC.

¿Existe alguna ecuación que relacione la frecuencia de reloj y la tensión o la frecuencia de reloj y la potencia?

Es decir, ¿un oscilador de alta velocidad necesita más tensión o potencia que uno de baja velocidad?

Answer 1

El voltaje requerido afecta mucho más que la velocidad del reloj, pero tienes razón, para velocidades más altas necesitarás voltajes más altos en general.

¿Por qué aumenta el consumo de energía?

Esto es mucho más complicado que un circuito simple, pero puedes pensar que es similar a un circuito RC.

Equivalente del circuito RC

En CC un circuito RC no consume energía. A una frecuencia infinita, que no es alcanzable, pero siempre se puede resolver esto teóricamente, el condensador actúa como un cortocircuito y te quedas con una resistencia. Esto significa que tienes una carga simple. A medida que la frecuencia disminuye, el condensador almacena y descarga energía, lo que provoca una menor cantidad de energía disipada en general.

¿Qué es un microcontrolador?

En su interior se compone de muchos muchos MOSFETs en una configuración que llamamos CMOS .

Si intentas cambiar el valor de la puerta de un MOSFET, sólo estás cargando o descargando un condensador. Este es un concepto que me cuesta explicar a los estudiantes. El transistor hace mucho, pero para nosotros sólo parece un condensador desde la puerta. Esto significa que en un modelo el CMOS siempre tendrá una carga de una capacitancia.

Wikipedia tiene una imagen de un inversor CMOS a la que haré referencia.

El inversor CMOS tiene una salida etiquetada Q. Dentro de un microcontrolador su salida estará conduciendo otras puertas lógicas CMOS. Cuando su entrada A cambia de alto a bajo la capacitancia en Q debe ser descargada a través del transistor en la parte inferior. Cada vez que cargas un condensador ves el uso de energía. Puedes ver esto en wikipedia en conmutación y fuga de energía .

¿Por qué tiene que subir la tensión?

A medida que el voltaje aumenta, es más fácil conducir la capacitancia al umbral de su lógica. Sé que parece una respuesta simplista, pero es así de simple.

Cuando digo que es más fácil conducir la capacitancia me refiero a que se conducirá entre los umbrales más rápido, como dijo mazurnification:

Con el aumento de la alimentación también aumenta la capacidad de accionamiento del transistor MOS (mayor Vgs). Esto significa que la R real de RC disminuye y por eso la puerta es más rápida.

En relación con el consumo de energía, debido a lo pequeños que son los transistores hay una gran fuga a través de la capacitancia de la puerta, Mark tenía algo que añadir al respecto:

Un mayor voltaje da lugar a una mayor corriente de fuga. A medida que el tamaño del proceso se reduce y el número de transistores aumenta, la corriente de fuga se convierte cada vez más en la estadística crítica de uso de energía.

Answer 2

En general, las puertas CMOS sólo utilizan corriente cuando cambian de estado. Por lo tanto, cuanto más rápida sea la velocidad del reloj, más a menudo conmutan las puertas, por lo que se conmuta más corriente y se consume más energía.

Answer 3

Se trata de transiciones de nivel lógico.

Cuando cualquier bit de una salida cambia... el valor eléctrico debe pasar de alto a bajo, o de bajo a alto. Esto extrae energía de la fuente de alimentación, o vuelca algo de energía en el plano de tierra. También genera un poco de calor residual debido a las ineficiencias.

Si se aumenta la velocidad de reloj, se incrementa el número de estas transiciones por unidad de tiempo, por lo que se utiliza más energía para alimentar estas transiciones de nivel lógico.

El aumento de los requisitos de tensión es un poco diferente. El tiempo que tarda una señal en pasar de baja a alta se llama tiempo de subida. Para operar con seguridad a una frecuencia determinada, la lógica debe ser capaz de realizar esta transición de forma consistente antes de que el siguiente reloj muestre el nuevo valor. En un momento dado, la lógica no podrá cumplir los requisitos de tiempo de subida de una frecuencia concreta. Aquí es donde el aumento de la tensión ayudará, ya que disminuye el tiempo de subida.

El calor es bastante sencillo. El chip está diseñado para soportar una determinada cantidad de calor generada por una determinada velocidad de reloj. Si se incrementa el número de transiciones mediante el aumento de la velocidad de reloj, se obtendrá más calor residual. Al hacer overclocking, puedes superar fácilmente la capacidad del sistema de refrigeración para eliminar ese calor.

Answer 4

Piensa en un circuito RC básico donde la R y la C están en paralelo. Nuestro objetivo es tener un reloj a la salida de este circuito - una onda cuadrada de 0-5V y 1KHz. Así que cuando queremos que el reloj sea alto, encendemos nuestra fuente de voltaje y se carga el condensador hasta que la salida está a 5V, y cuando queremos 0V lo apagamos y dejamos que se descargue. El tiempo de carga/descarga viene determinado por la constante RC del circuito. Hay un problema: el circuito no se carga lo suficientemente rápido para un reloj de 1KHz. ¿Qué hago?

No podemos cambiar la constante RC del circuito, es fija. Así que tenemos que cargar el condensador más rápido de alguna manera, pero seguir teniendo el mismo voltaje cargado. Para ello necesitamos un circuito activo que controle la tensión de salida del circuito RC y varíe la corriente que entra en el condensador para cargarlo más rápido. Más corriente significa más potencia.

Si quieres un reloj más rápido, tienes que cargar el condensador más rápido. Para cargar un condensador, hay que introducir corriente en él. Corriente * voltaje = potencia. Necesitas más potencia.

Todo en un sistema digital está ligado al reloj y todo tiene capacitancia. Si tienes 100 chips TTL en un reloj tiene que conducir una gran cantidad de corriente para cargar todos ellos, a continuación, dibujar una gran cantidad de corriente para tirar de ellos hacia abajo. La razón fundamental por la que no se cumple la ley de ohmios es porque se trata de dispositivos activos, no pasivos. Hacen un trabajo eléctrico para forzar al reloj a ser lo más parecido a una onda cuadrada perfecta.

Si haces overclock a un microcontrolador se calienta

Sí, un cambio más rápido significa que fluye más corriente y la potencia es voltaje * corriente. Incluso si el voltaje se mantiene igual, la corriente utilizada aumenta, por lo que se disipa más potencia, más calor.

Si haces overclocking a un microcontrolador necesita más voltaje

Es parcialmente cierto: necesita más potencia, no necesariamente más voltaje. El microcontrolador está convirtiendo de alguna manera el voltaje extra en más corriente para lograr sus necesidades.

Que yo sepa, la frecuencia de la CA no tiene nada que ver con su tensión o potencia, y un reloj no es más que una superposición de una CC y una CA (cuadrada). La frecuencia no afecta a la CC.

Sólo para una carga puramente resistiva. Hay un montón de trucos que ocurren con la energía de CA.

¿Existe alguna ecuación que relacione la frecuencia de reloj y la tensión o la frecuencia de reloj y la potencia?

Probablemente no sea consistente, pero está relacionado con las simples ecuaciones Q=CV, V=I*R, P=I*V

Sólo recuerda: Mayor frecuencia => tiempo de subida más rápido => debe llenar los condensadores más rápido => más carga => más corriente más poder .

Answer 5

Potencia = factor de conmutación * Capacitancia * (VDD^2) * frecuencia.

Como el reloj rápido tiene un mayor factor de conmutación, y también una mayor frecuencia, el consumo de energía dinámica es mayor.