Pourquoi une horloge plus rapide nécessite-t-elle plus de puissance?

Si vous overclockez un microcontrôleur, il devient chaud.

Si vous overclockez un microcontrôleur, il a besoin de plus de tension.

D'une manière abstraite, cela a du sens: il fait plus de calculs, donc il a besoin de plus d'énergie (et étant moins que parfait, une partie de cette énergie se dissipe sous forme de chaleur).

Cependant, à partir de l'électricité et du magnétisme d'une simple loi d'Ohm, qu'est-ce qui se passe?

Pourquoi la fréquence d'horloge a-t-elle quelque chose à voir avec la dissipation de puissance ou la tension?

Pour autant que je sache, la fréquence de l'AC n'a rien à voir avec sa tension ou sa puissance, et une horloge n'est qu'une super-position d'un DC et d'un AC (carré). La fréquence n'affecte pas le DC.

Existe-t-il une équation reliant la fréquence et la tension d'horloge ou la fréquence et la puissance d'horloge?

Je veux dire qu'un oscillateur haute vitesse a besoin de plus de tension ou de puissance qu'un oscillateur basse vitesse?

La tension requise est affectée par bien plus que la vitesse d'horloge, mais vous avez raison, pour des vitesses plus élevées, vous aurez besoin de tensions plus élevées en général.

Pourquoi la consommation d'énergie augmente-t-elle?

C'est beaucoup plus compliqué qu'un simple circuit, mais vous pouvez penser qu'il est similaire à un circuit RC.

Circuit RC équivalent

En CC, un circuit RC ne consomme pas d'énergie. À une fréquence d'infini, ce qui n'est pas possible, mais vous pouvez toujours résoudre cela théoriquement, le condensateur agit comme un court-circuit et vous vous retrouvez avec une résistance. Cela signifie que vous avez une charge simple. Au fur et à mesure que la fréquence diminue, le condensateur stocke et décharge la puissance, ce qui entraîne une plus faible puissance dissipée dans l'ensemble.

Qu'est-ce qu'un microcontrôleur?

À l'intérieur, il est composé de nombreux MOSFET dans une configuration que nous appelons CMOS .

Si vous essayez de changer la valeur de la grille d'un MOSFET, vous chargez ou déchargez simplement un condensateur. C'est un concept que j'ai du mal à expliquer aux étudiants. Le transistor fait beaucoup, mais pour nous, il ressemble à un condensateur de la grille. Cela signifie que dans un modèle, le CMOS aura toujours une charge d'une capacité.

Wikipedia a une image d'un onduleur CMOS que je vais référencer.

L'onduleur CMOS a une sortie étiquetée Q. À l'intérieur d'un microcontrôleur, votre sortie pilotera d'autres portes logiques CMOS. Lorsque votre entrée A passe de élevée à faible, la capacité sur Q doit être déchargée à travers le transistor en bas. Chaque fois que vous chargez un condensateur, vous voyez la consommation d'énergie. Vous pouvez le voir sur wikipedia sous la commutation d'alimentation et les fuites .

Pourquoi la tension doit-elle augmenter?

Lorsque vous augmentez la tension, il est plus facile de conduire la capacité au seuil de votre logique. Je sais que cela semble être une réponse simpliste, mais c'est aussi simple que cela.

Quand je dis qu'il est plus facile de piloter la capacité, je veux dire qu'elle sera conduite entre les seuils plus rapidement, comme le dit la mazurnification:

Avec l'augmentation de la capacité de commande d'alimentation du transistor MOS augmente également (Vgs plus grand). Cela signifie que le R réel de RC diminue et c'est pourquoi la porte est plus rapide.

En ce qui concerne la consommation d'énergie, en raison de la petite taille des transistors, il y a une grande fuite à travers la capacité de la grille, Mark avait quelque chose à ajouter à ce sujet:

une tension plus élevée entraîne un courant de fuite plus élevé. Dans les appareils à nombre de transistors élevé, comme un courant de fuite de processeur de bureau moderne, la majorité de la dissipation de puissance peut être expliquée. à mesure que la taille du processus diminue et que le nombre de transistors augmente, le courant de fuite devient de plus en plus la statistique critique d'utilisation de l'énergie.

En général, les portes CMOS n'utilisent le courant que lorsqu'elles changent d'état. Ainsi, plus la vitesse d'horloge est rapide, plus les portes commutent souvent, donc plus de courant est commuté et plus d'énergie est consommée.

Eh bien, tout tourne autour des transitions de niveau logique.

Quand un seul bit d'une sortie change ... la valeur électrique doit basculer de haut en bas, ou de bas en haut. Cela tire le courant de l'alimentation ou rejette de l'énergie sur le plan de masse. Il génère également un peu de chaleur résiduelle en raison d'inefficacités.

Si vous augmentez la fréquence d'horloge, vous augmentez le nombre de ces transitions par unité de temps, donc vous utilisez plus de puissance pour alimenter ces transitions de niveau logique.

Les exigences de tension accrues sont un peu différentes. Le temps nécessaire à un signal pour passer de bas à haut est appelé temps de montée. Pour fonctionner en toute sécurité à une fréquence donnée, la logique doit pouvoir effectuer cette transition de manière cohérente avant que la prochaine horloge échantillonne la nouvelle valeur. À un certain point, la logique ne pourra pas répondre aux exigences de temps de montée d'une fréquence particulière. C'est là que l'augmentation de la tension aidera, car elle diminue le temps de montée.

La chaleur est assez simple. La puce est conçue pour gérer une certaine quantité de chaleur générée par une certaine fréquence d'horloge. Augmentez le nombre de transitions en augmentant la fréquence d'horloge et vous obtiendrez plus de chaleur perdue. Lors de l'overclocking, vous pouvez facilement dépasser la capacité du système de refroidissement à éliminer cette chaleur.

Pensez à un circuit RC de base où le R et le C sont en parallèle. Notre objectif est d'avoir une horloge à la sortie de ce circuit - une onde carrée 0-5V 1KHz. Donc, lorsque nous voulons que l'horloge soit élevée, nous allumons notre source de tension et elle charge le condensateur jusqu'à ce que la sortie soit à 5 V, et lorsque nous voulons 0 V, nous l'éteignons et la laissons se décharger. Le temps de charge / décharge est déterminé par la constante RC du circuit. Il y a un problème - le circuit ne se charge pas assez rapidement pour une horloge à 1 kHz. Que fais-je?

Nous ne pouvons pas changer la constante RC du circuit - elle est fixe. Nous devons donc charger le condensateur plus rapidement d'une manière ou d'une autre, mais nous avons toujours la même tension chargée. Pour ce faire, nous avons besoin d'un circuit actif qui surveille la tension de sortie du circuit RC et fait varier le courant entrant dans le condensateur pour le charger plus rapidement. Plus de courant signifie plus de puissance.

Lorsque vous voulez une horloge plus rapide, vous devez charger le condensateur plus rapidement. Vous chargez un condensateur en y poussant du courant. Courant * tension = puissance. Vous avez besoin de plus de puissance!

Tout dans un système numérique est lié à l'horloge et tout a une capacité. Si vous avez 100 puces TTL sur une horloge, cela doit conduire beaucoup de courant pour les charger toutes, puis tirer beaucoup de courant pour les tirer vers le bas. La raison fondamentale pour laquelle la loi ohms ne tient pas est que ce sont des appareils actifs, pas passifs. Ils effectuent des travaux électriques pour forcer l'horloge à être aussi proche que possible d'une onde carrée parfaite.

Si vous overclockez un microcontrôleur, il fait chaud

Oui - un changement plus rapide signifie plus de courant et la puissance est un courant de tension *. Même si la tension reste la même, le courant utilisé augmente, donc plus de dissipation de puissance, plus de chaleur.

Si vous overclockez un microcontrôleur, il a besoin de plus de tension

En partie vrai - il a besoin de plus de puissance, pas nécessairement de plus de tension. Le microcontrôleur convertit en quelque sorte la tension supplémentaire en plus de courant pour répondre à ses besoins.

Pour autant que je sache, la fréquence de l'AC n'a rien à voir avec sa tension ou sa puissance, et une horloge n'est qu'une super-position d'un DC et d'un AC (carré). La fréquence n'affecte pas le DC.

Uniquement pour une charge purement résistive. Il y a beaucoup de ruse avec le courant alternatif.

Existe-t-il une équation reliant la fréquence et la tension d'horloge ou la fréquence et la puissance d'horloge?

Probablement pas cohérent, mais il est lié aux équations simples Q = CV, V = I * R, P = I * V

N'oubliez pas: une fréquence plus élevée => un temps de montée plus rapide => doit remplir les condensateurs plus rapidement => plus de charge => plus de courant => plus de puissance .

Puissance = facteur de commutation * Capacité * (VDD ^ 2) * fréquence.

Comme l'horloge rapide a un facteur de commutation plus élevé, ainsi qu'une fréquence plus élevée, donc une consommation d'énergie dynamique plus élevée.