Почему более быстрые часы требуют больше энергии?

Если разогнать микроконтроллер, он нагревается.

Если вы разгоняете микроконтроллер, ему нужно больше напряжения.

В некотором абстрактном смысле это имеет смысл: он выполняет больше вычислений, поэтому ему нужно больше энергии (и, будучи не идеальным, часть этой энергии рассеивается в виде тепла).

Однако, что происходит в электричестве и магнетизме на уровне закона Ома?

Почему тактовая частота имеет отношение к рассеиванию мощности или напряжению?

Насколько я знаю, частота переменного тока не имеет ничего общего с его напряжением или мощностью, а часы - это просто суперпозиция постоянного и (квадратного) переменного тока. Частота не влияет на DC.

Существует ли какое-то уравнение, связывающее тактовую частоту и напряжение или тактовую частоту и мощность?

Я имею в виду, что высокоскоростному генератору нужно больше напряжения или мощности, чем низкоскоростному?

Требуемое напряжение влияет значительно больше, чем тактовая частота, но вы правы, для более высоких скоростей вам понадобятся в целом более высокие напряжения.

Почему увеличивается энергопотребление?

Это намного сложнее, чем простая схема, но вы можете подумать, что она похожа на RC-схему.

RC схема эквивалентна

На постоянном токе RC-цепь не потребляет энергию. На частоте бесконечности, которая недостижима, но вы всегда можете решить эту проблему теоретически, конденсатор действует как короткое замыкание, и у вас остается резистор. Это означает, что у вас есть простая загрузка. По мере снижения частоты конденсатор накапливает и разряжает энергию, вызывая меньшее рассеиваемое количество энергии.

Что такое микроконтроллер?

Внутри он состоит из множества MOSFET в конфигурации, которую мы называем CMOS .

Если вы пытаетесь изменить значение затвора полевого МОП-транзистора, вы просто заряжаете или разряжаете конденсатор. Эту концепцию мне трудно объяснить студентам. Транзистор много делает, но для нас он просто выглядит как конденсатор от затвора. Это означает, что в модели CMOS всегда будет нагрузка емкости.

В Википедии есть изображение инвертора CMOS, на которое я буду ссылаться.

Инвертор CMOS имеет выход, помеченный Q. Внутри микроконтроллера ваш выход будет управлять другими логическими элементами CMOS. Когда ваш вход A меняется с высокого на низкий, емкость на Q должна быть разряжена через транзистор снизу. Каждый раз, когда вы заряжаете конденсатор, вы видите потребление энергии. Вы можете увидеть это в Википедии под переключением питания и утечкой .

Почему напряжение должно повышаться?

При увеличении напряжения становится проще подвести емкость к порогу вашей логики. Я знаю, что это выглядит как упрощенный ответ, но это так просто.

Когда я говорю, что емкость легче управлять, я имею в виду, что она будет двигаться между пороговыми значениями быстрее, как выразилась мазурнификация:

С увеличением мощности привода МОП-транзистор также увеличивается (больше Vgs). Это означает, что фактическое R от RC уменьшается, и поэтому ворота быстрее.

Что касается энергопотребления, то из-за того, насколько малы транзисторы, имеется большая утечка через емкость затвора, Марку нужно было добавить несколько слов по этому поводу:

чем выше напряжение, тем выше ток утечки. В устройствах с большим количеством транзисторов, таких как современный настольный процессор, ток утечки может составлять большую часть рассеяния мощности. По мере уменьшения размера процесса и увеличения числа транзисторов ток утечки становится все более важной статистикой использования электроэнергии.

В общем случае, КМОП-вентили используют ток только при переключении состояний. Таким образом, чем выше тактовая частота, тем чаще переключаются затворы, тем самым переключается больший ток и потребляется больше энергии.

Ну, это все о переходах логического уровня.

При изменении какого-либо отдельного бита на выходе ... электрическое значение должно изменяться от высокого к низкому или от низкого к высокому. Это отводит питание от источника питания или сбрасывает некоторое количество энергии обратно на землю. Он также генерирует немного отработанного тепла из-за неэффективности.

Если вы увеличиваете тактовую частоту, вы увеличиваете количество этих переходов в единицу времени, поэтому вы используете больше мощности для подачи этих переходов логического уровня.

Повышенные требования к напряжению немного отличаются. Время, необходимое для перехода сигнала от низкого к высокому, называется временем нарастания. Чтобы безопасно работать на любой заданной частоте, логика должна быть способна последовательно выполнять этот переход до того, как следующие тактовые импульсы сэмплируют новое значение. В определенный момент логика не сможет удовлетворить требования времени нарастания определенной частоты. Вот где повышение напряжения поможет, так как это уменьшает время нарастания.

Жара довольно проста. Чип предназначен для обработки определенного количества тепла, генерируемого определенной тактовой частотой. Увеличьте количество переходов, увеличив тактовую частоту, и вы получите больше ненужного тепла. При разгоне вы можете легко опередить способность системы охлаждения отводить это тепло.

Подумайте об основной схеме RC, где R и C параллельны. Наша цель - иметь часы на выходе этой цепи - прямоугольную волну 0-5 В 1 кГц. Поэтому, когда мы хотим, чтобы часы были высокими, мы включаем наш источник напряжения, и он заряжает конденсатор до тех пор, пока выходное напряжение не станет равным 5 В, а когда мы хотим, чтобы 0 В, мы выключили его и дали разрядиться. Время зарядки / разрядки определяется константой RC цепи. Есть проблема - схема не заряжается достаточно быстро для тактовой частоты 1 кГц. Что я делаю?

Мы не можем изменить постоянную RC цепи - она ​​исправлена. Таким образом, мы должны как-то быстрее зарядить конденсатор, но при этом иметь то же зарядное напряжение. Для этого нам нужна активная цепь, которая контролирует выходное напряжение RC-цепи и изменяет ток, идущий в конденсатор, чтобы быстрее зарядить его. Чем больше ток, тем больше мощность.

Если вам нужны более быстрые часы, вам нужно быстрее заряжать конденсатор. Вы заряжаете конденсатор, проталкивая ток в него. Ток * напряжение = мощность. Вам нужно больше силы!

Все в цифровой системе связано с часами, и все имеет емкость. Если у вас есть 100 TTL-чипов на один такт, то для их зарядки требуется большой ток, а затем потребляйте большой ток, чтобы сбросить их. Основная причина, по которой закон Ома не действует, заключается в том, что это активные устройства, а не пассивные. Они выполняют электромонтажные работы, чтобы заставить часы быть как можно ближе к идеальной прямоугольной волне.

Если разогнать микроконтроллер, он нагревается

Да - более быстрая смена означает, что протекает больше тока, а мощность - это напряжение * ток. Даже если напряжение остается тем же, используемый ток увеличивается, поэтому больше рассеиваемая мощность, больше тепла.

Если вы разгоняете микроконтроллер, ему нужно больше напряжения

Частично верно - ему нужно больше энергии, а не обязательно больше напряжения. Микроконтроллер каким-то образом преобразует дополнительное напряжение в большее, чтобы удовлетворить свои потребности.

Насколько я знаю, частота переменного тока не имеет ничего общего с его напряжением или мощностью, а часы - это просто суперпозиция постоянного и (квадратного) переменного тока. Частота не влияет на DC.

Только для чисто резистивной нагрузки. С переменным током происходит много хитростей.

Существует ли какое-то уравнение, связывающее тактовую частоту и напряжение или тактовую частоту и мощность?

Вероятно, не последовательный, но это связано с простыми уравнениями Q = CV, V = I * R, P = I * V

Просто помните: более высокая частота => более быстрое время нарастания => должны быстрее заполнять конденсаторы => больше заряда => больше тока => больше мощности .

Мощность = коэффициент переключения * Емкость * (VDD ^ 2) * частота.

Так как быстрые часы имеют более высокий коэффициент переключения, а также более высокую частоту, тем самым выше динамическое энергопотребление.