Por que um relógio mais rápido requer mais energia?

Se você overclock um microcontrolador, ele fica quente.

Se você fizer um overclock em um microcontrolador, ele precisará de mais voltagem.

De alguma maneira abstrata, faz sentido: está fazendo mais computação, por isso precisa de mais energia (e sendo menos do que perfeita, parte dessa energia se dissipa em calor).

No entanto, do nível da lei de Ohm da eletricidade e magnetismo, o que está acontecendo?

Por que a frequência do relógio tem algo a ver com dissipação de energia ou tensão?

Até onde eu sei, a frequência da CA não tem nada a ver com a sua tensão ou potência, e um relógio é apenas uma super posição de uma CC e uma CA (quadrada). A frequência não afeta o DC.

Existe alguma equação relacionada à frequência e tensão do relógio ou à frequência e potência do relógio?

Quero dizer, um oscilador de alta velocidade precisa de mais voltagem ou energia do que um de baixa velocidade?

A voltagem necessária é afetada significativamente mais do que a velocidade do relógio, mas você está correto, para velocidades mais altas, você precisará de voltagens mais altas em geral.

Por que o consumo de energia aumenta?

Isso é muito mais confuso do que um circuito simples, mas você pode pensar que é semelhante a um circuito RC.

Circuito RC equivalente

Na CC, um circuito RC não consome energia. Em uma frequência de infinito, o que não é possível, mas você sempre pode resolver isso teoricamente, o capacitor age como um curto e você fica com um resistor. Isso significa que você tem uma carga simples. À medida que a frequência diminui, o capacitor armazena e descarrega energia, causando uma quantidade menor de energia dissipada em geral.

O que é um microcontrolador?

No interior, ele é composto de muitos MOSFETs em uma configuração que chamamos de CMOS .

Se você tentar alterar o valor da porta de um MOSFET, estará apenas carregando ou descarregando um capacitor. Este é um conceito que eu tenho dificuldade em explicar aos alunos. O transistor faz muito, mas para nós parece um capacitor do portão. Isso significa que, em um modelo, o CMOS sempre terá uma carga de capacitância.

A Wikipedia possui uma imagem de um inversor CMOS que eu irei referenciar.

O inversor CMOS possui uma saída denominada Q. Dentro de um microcontrolador, sua saída estará acionando outras portas lógicas do CMOS. Quando sua entrada A muda de alta para baixa, a capacitância em Q deve ser descarregada através do transistor na parte inferior. Toda vez que você carrega um capacitor, vê o uso de energia. Você pode ver isso na wikipedia em comutação de energia e vazamento .

Por que a tensão precisa subir?

À medida que a tensão aumenta, fica mais fácil direcionar a capacitância para o limiar de sua lógica. Eu sei que isso parece uma resposta simplista, mas é simples assim.

Quando digo que é mais fácil dirigir a capacitância, quero dizer que ela será conduzida entre os limiares mais rapidamente, como diz a mazurnificação:

Com o aumento da capacidade da unidade de alimentação do transistor MOS também aumenta (Vgs maior). Isso significa que o R real de RC diminui e é por isso que o gate é mais rápido.

Em relação ao consumo de energia, devido à quantidade de transistores pequenos, há um grande vazamento através da capacitância da porta, Mark tinha um pouco a acrescentar sobre isso:

tensão mais alta resulta em corrente de fuga mais alta. Em dispositivos com alta contagem de transistores, como uma corrente de vazamento de CPU de desktop moderna, pode ser responsável pela maior parte da dissipação de energia. À medida que o tamanho do processo diminui e a contagem de transistores aumenta, a corrente de fuga se torna cada vez mais a estatística crítica do uso de energia.

Em geral, os portões do CMOS usam corrente somente quando trocam de estado. Portanto, quanto mais rápida a velocidade do relógio, mais frequentemente os portões são trocados, mais corrente é trocada e mais energia é consumida.

Bem, é tudo sobre transições de nível lógico.

Quando qualquer bit único de uma saída muda ... o valor elétrico deve ser reduzido de alto para baixo ou baixo para alto. Isso puxa a energia da fonte de alimentação ou despeja alguma energia de volta no plano de terra. Também gera um pouco de calor desperdiçado devido a ineficiências.

Se você aumenta a taxa de clock, aumenta o número dessas transições por unidade de tempo, portanto, usa mais energia para alimentar essas transições de nível lógico.

O aumento dos requisitos de voltagem é um pouco diferente. O tempo que leva um sinal para fazer a transição de baixo para alto é chamado de tempo de subida. Para operar com segurança em qualquer frequência, a lógica deve ser capaz de fazer essa transição de forma consistente antes que o próximo relógio mostre o novo valor. Em um determinado momento, a lógica não poderá atender aos requisitos de tempo de subida de uma frequência específica. É aqui que o aumento da tensão ajuda, pois diminui o tempo de subida.

O calor é bastante simples. O chip foi projetado para lidar com uma certa quantidade de calor gerada por uma determinada taxa de clock. Aumente o número de transições aumentando a taxa de clock e você obterá mais calor desperdiçado. Ao fazer overclock, você pode facilmente ultrapassar a capacidade do sistema de refrigeração de remover esse calor.

Pense em um circuito RC básico onde R e C estão em paralelo. Nosso objetivo é ter um relógio na saída deste circuito - uma onda quadrada de 0-5V 1KHz. Então, quando queremos que o relógio esteja alto, ligamos nossa fonte de tensão e ele carrega o capacitor até a saída estar em 5V, e quando queremos 0V, desligamos e deixamos descarregar. O tempo de carga / descarga é determinado pela constante RC do circuito. Há um problema - o circuito não carrega rápido o suficiente para um relógio de 1KHz. O que eu faço?

Não podemos alterar a constante RC do circuito - está fixa. Portanto, precisamos carregar o capacitor mais rapidamente, mas ainda temos a mesma tensão carregada. Para fazer isso, precisamos de um circuito ativo que monitore a tensão de saída do circuito RC e varie a corrente que entra no capacitor para carregá-lo mais rapidamente. Mais corrente significa mais poder.

Quando você quer um relógio mais rápido, precisa carregar o capacitor mais rapidamente. Você carrega um capacitor pressionando a corrente nele. Corrente * tensão = potência. Você precisa de mais poder!

Tudo em um sistema digital está ligado ao relógio e tudo tem capacitância. Se você tiver 100 chips TTL em um relógio, ele precisará gerar muita corrente para carregar todos eles, e então extrair muita corrente para puxá-los para baixo. A razão fundamental pela qual a lei de ohms não se sustenta é porque esses são dispositivos ativos, não passivos. Eles fazem trabalho elétrico para forçar o relógio a ficar o mais próximo possível de uma onda quadrada perfeita.

Se você overclock um microcontrolador, ele fica quente

Sim - uma mudança mais rápida significa mais corrente fluindo e energia é tensão * corrente. Mesmo que a tensão permaneça a mesma, a corrente usada aumenta, portanto, mais dissipação de energia, mais calor.

Se você overclock um microcontrolador, ele precisa de mais voltagem

Parcialmente verdade - ele precisa de mais energia, não necessariamente de mais tensão. O microcontrolador está, de alguma forma, convertendo a tensão extra em mais corrente para atender às suas necessidades.

Até onde eu sei, a frequência da CA não tem nada a ver com a sua tensão ou potência, e um relógio é apenas uma super posição de uma CC e uma CA (quadrada). A frequência não afeta o DC.

Somente para uma carga puramente resistiva. Há muitos truques acontecendo com a alimentação CA.

Existe alguma equação relacionada à frequência e tensão do relógio ou à frequência e potência do relógio?

Provavelmente não é consistente, mas está relacionada às equações simples Q = CV, V = I * R, P = I * V

Lembre-se: Maior frequência => tempo de subida mais rápido => deve preencher os capacitores mais rapidamente => mais carga => mais corrente => mais potência .

Potência = fator de comutação * Capacitância * (VDD ^ 2) * frequência.

Como o relógio rápido possui um fator de comutação mais alto e também uma frequência mais alta, o consumo de energia dinâmica é maior.