Como a frequência é escolhida?

Eu não sou um especialista em eletrônica. Eu sou apenas um programador. Eu faço essa pergunta apenas por diversão.

Minha pergunta: como é escolhida a frequência para o projeto de um circuito digital?

A frequência é escolhida "de antemão" antes de executar o projeto real ", como a última opção" depois que o circuito já foi projetado ou "no meio", ajustando-o várias vezes durante o projeto?

E se as diferentes partes de um grande circuito exigirem diferentes frequências ideais? Não é uma razão para o redesenho de algumas partes do circuito?

Você poderia descrever os estágios da escolha da frequência durante o design?

Como aconteceu que muitas das CPUs da série "Core" tinham frequência menor que o Pentium-4, com velocidade realmente maior?

Também ouvi dizer que menor frequência leva a um menor consumo de energia. Mas a CPU Core não tem menor frequência e, no entanto, um número menor de portas lógicas está mudando de estado por segundo? O número de portas que mudam de estado não é a frequência, o fator que define o consumo de energia?

I. Na maioria das vezes, o chip usa frequências diferentes para diferentes partes do chip. Hoje em dia, mesmo os microcontroladores de 0,5 $ mais básicos têm um esquema de clock bastante complicado (pelo menos, merecendo um capítulo separado na folha de dados). Portanto, a frequência do relógio será escolhida bloco a bloco.

II Em qual estágio do projeto a frequência é escolhida:

a) Eu diria que na maioria das vezes é no estágio inicial. Alguém poderia obter requisitos (exemplo: tem que decodificar vídeo HD). Com base nisso, escolheria a arquitetura levando em consideração as compensações de energia / tecnologia / custo (área). Um dos resultados da decisão de arquitetura é a frequência do relógio.

b) Mas algumas vezes a decisão inicial é subótima / errada. Então, as modificações estão sendo feitas. No entanto, isso pode ser caro, pois geralmente partes diferentes do chip são projetadas em paralelo. Alterar um relógio pode desencadear o reprojeto de outro bloco (devido à interface e à própria fonte do relógio). Eu diria que, por esse motivo, isso é evitado. Obviamente, é mais fácil para alguns blocos alterar a frequência do relógio do que para outros, de modo que "sua milhagem pode variar".

c) No último estágio do local e da rota (este é um dos últimos estágios antes do envio do chip para a fábrica), às vezes pode-se ter problemas para fechar o orçamento de tempo / energia (ou seja, fazer o design funcionar com frequência / potência), para que a decisão seja tomada. feito para diminuir a frequência do relógio. Definitivamente, isso é evitado, pois isso significa não atender a algumas das especificações de marketing. Mas, algumas vezes, é mais sábio ser mais rápido no mercado do que fazer um novo design que, nesta fase, será realmente caro e demorado.

Mas há mais:

d) Algumas vezes, a decisão da frequência do relógio é tomada após a fabricação (se determinadas disposições no projeto forem feitas antecipadamente). Devido à variabilidade de fabricação, alguns chips são melhores que outros. É possível executar binning - classifique os chips com base em qual frequência máxima eles podem trabalhar de maneira confiável e os venda mais rapidamente com prêmios. Eu diria que isso é usado principalmente por fornecedores de processadores de PC.

e) Às vezes, os chips prontos ficam com freqüência insuficiente no equipamento final para economizar energia (popular nos Estados Unidos), se a capacidade de processamento necessária for menor que o máximo permitido pelo chip.

f) Em alguns projetos modernos, o relógio pode ser ajustado dinamicamente. Em seguida, o relógio é alterado no campo com base na carga para economizar energia.

III Então, como a frequência é escolhida e por que, algumas vezes, o design trabalhando em um relógio menor terá maior capacidade de processamento:

Oh, garoto, existem tantas variáveis, então essa é a disciplina da engenharia em si mesma. Você atendeu aos requisitos de marketing, tecnologia, custo, EMI, energia, padrão suportado, requisitos de IO etc etc ...

Mas, basicamente, pode-se simplificar o seguinte - para obter um determinado desempenho, é possível ter um relógio mais rápido (fazer coisas em série uma após a outra) ou paralelamente em um relógio mais baixo, com o custo de usar mais transistores. Devido a alguns fatores - principalmente a latência do encanamento / memória do pipeline, às vezes é melhor usar mais transistor do que um relógio mais rápido.

Na arena incorporada, geralmente é escolhida uma frequência específica devido a restrições nos periféricos do microcontrolador. Por exemplo, um cristal de 1,8432 MHz (ou múltiplo dessa freqüência, como 18,432 MHz) pode ser usado porque essa frequência base dividida por 16 resulta em uma taxa de 115.200 bauds para um UART. 32768 Hz é frequentemente usado para aplicações de microcontroladores de baixa potência, porque é facilmente dividido em 1 Hz para manter o tempo.

Aqui está uma lista de várias frequências de cristal e a razão pela qual elas existem. Os listados "relógio UART" são frequentemente escolhidos para microcontroladores pelo motivo exposto anteriormente; o específico escolhido depende do circuito do BRG (gerador de taxa de transmissão) e da (s) taxa (s) de transmissão desejada (s).

Na verdade, a energia dissipada por um circuito CMOS é uma soma do consumo de energia estática (causada por correntes de vazamento) e do consumo dinâmico de energia (consumida apenas quando os transistores estão alterando o estado lógico). Este último é uma função da frequência de comutação.

Aqui está uma excelente nota de aplicação da TI que a descreve em mais detalhes: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Dito isso, geralmente é a melhor idéia para selecionar a frequência do relógio mais baixa. No entanto, às vezes faz mais sentido usar uma frequência de clock mais alta, por exemplo, o manipulador de interrupções pode concluir sua tarefa mais rapidamente e alternar a CPU para o modo de economia de energia entre as interrupções.

Como mencionado acima, as pessoas fazem escolhas de velocidade versus potência.

No final de alto desempenho do mercado, é mais complexo - no caso da Intel, existem problemas concorrentes - com que rapidez posso fazer o silício funcionar? depende - para executar uma instrução é necessário vários relógios - Como um exemplo (muito) simples, posso construir um pipeline de 4 relógios / instruções com clock de 1 GHz e um pipeline de 6 relógios / instruções com relógios de 1,25 GHz. Ainda vou me aposentar 1 instrução em cada relógio e o tubo de 6 relógios / instruções será mais rápido

No mundo real, embora ocorram coisas como bolhas de tubulação, quanto mais estágios de tubulação você tiver, mais relógios será desperdiçado quando precisar recarregar a tubulação - o tubo de 4 relógios encherá mais rápido que o tubo de 6 relógios e, em média (em um monte grande de benchmarks) o pipe de 6 relógios pode levar 2 relógios para retirar todas as instruções em comparação com os 1,5 relógios para o design do estágio de 4 tubos - o design de 4 estágios realizará o 6 do estágio (1gHz / 1,5> 1,25GHz / 2).

É claro que é difícil para o pessoal de marketing vender coisas assim - as pessoas estão tão acostumadas a "mais GHz significa mais rápido"

Outra consideração é EMC / EMI - compatibilidade eletromagnética / interferência eletromagnética.

Por exemplo, sinais digitais de alta velocidade podem criar radiação de RF (frequência de rádio - de ondas longas a microondas) não intencional que pode ser uma fonte de interferência para o uso licenciado de RF. Isso inclui transmissão de rádio AM (MW), transmissão de televisão, telefones celulares, para receptores de GPS e outros circuitos eletrônicos.

De fato, em altas velocidades, traços longos (de cobre) em uma placa de circuito impresso (PCB) podem atuar como antenas, tanto para transmissão quanto para recepção. Por exemplo, um circuito mal estruturado pode facilmente receber interferência suficiente se um telefone celular estiver muito perto da placa de circuito para travar um sistema.

Os satélites também devem considerar a radiação ionizante (ou seja, partículas gama), uma solução requer o uso de CIs endurecidos por radiação que só podem operar em velocidades limitadas devido ao processo de fabricação.

Por esse motivo, os produtos comerciais precisam passar por testes EMC / EMI antes de serem vendidos ao mercado em geral.