¿Cómo se elige la frecuencia?

No soy especialista en electrónica. Solo soy un programador. Hago esta pregunta solo por diversión.

Mi pregunta: ¿cómo se elige la frecuencia para el diseño de un circuito digital?

¿Se elige la frecuencia "de antemano" antes de hacer el diseño real, "como la última opción" después de que el circuito ya está diseñado, o "en el medio" ajustándolo varias veces durante el diseño?

¿Qué pasa si resulta que diferentes partes de un gran circuito requieren diferentes frecuencias óptimas? ¿No es una razón para el rediseño de algunas partes del circuito?

¿Podría describir las etapas de elegir la frecuencia durante el diseño?

¿Cómo ha sucedido que muchas de las CPUs de la serie "Core" tenían una frecuencia menor que Pentium-4, teniendo una velocidad realmente mayor?

También he oído que una frecuencia menor conduce a un menor consumo de energía. Pero, ¿no tiene la CPU Core una frecuencia menor y, sin embargo, un número menor de puertas lógicas que cambian su estado por segundo? ¿No es el número de puertas que cambian su estado, no la frecuencia, el factor que define el consumo de energía?

I. La mayoría de las veces el chip usará diferentes frecuencias para diferentes partes del chip. Hoy en día, incluso la mayoría de los microcontroladores 0.5 $ básicos tienen un esquema de reloj bastante complicado (al menos merece un capítulo separado en la hoja de datos). Por lo tanto, la frecuencia del reloj se elegirá en bases de bloque por bloque.

II En qué etapa de diseño se elige la frecuencia:

a) Yo diría que la mayoría de las veces es en la etapa inicial. Uno obtendría requisitos (ejemplo: tener que decodificar video HD). En base a eso, se elegiría la arquitectura teniendo en cuenta las compensaciones de energía / tecnología / costo (área). Uno de los resultados de la decisión de arquitectura es la frecuencia de reloj.

b) Pero algunas veces la decisión temprana es subóptima / incorrecta. Entonces se están haciendo modificaciones. Sin embargo, esto puede ser costoso ya que generalmente diferentes partes del chip están diseñadas en paralelo. Cambiar un reloj puede activar el rediseño de otro bloque (debido a la interfaz y la fuente del reloj en sí). Yo diría que por esta razón esto se evita. Por supuesto, es más fácil para un bloque cambiar la frecuencia del reloj que para otro, por lo que "su millaje puede variar".

c) En la última etapa del lugar y la ruta (esta es una de las últimas etapas antes de enviar el chip a la fábrica) a veces uno puede tener problemas para cerrar el presupuesto de tiempo / potencia (es decir, hacer que el diseño funcione a la frecuencia / potencia objetivo), por lo que la decisión es hecho para bajar la frecuencia del reloj. Esto definitivamente se evita ya que esto significa no cumplir con algunas de las especificaciones de marketing. Pero a veces es más prudente ser más rápido en el mercado que rediseñar, lo que en esta etapa será realmente costoso y lento.

Pero hay más:

d) Algunas veces la decisión sobre la frecuencia del reloj se toma después de la fabricación (si se toman ciertas disposiciones en el diseño de antemano). Debido a la variabilidad de fabricación, algunos chips resultan mejores que otros. De lo que se puede realizar la agrupación: clasifique los chips según la frecuencia máxima que puedan funcionar de manera confiable y véndalos más rápido a un precio superior. Yo diría que esto es utilizado principalmente por los vendedores de procesadores de PC.

e) A veces, los chips listos están bajo reloj en el equipo final para ahorrar energía (popular en la UC) si la potencia de procesamiento requerida es inferior al máximo permitido del chip.

f) En algunos diseños modernos, el reloj se puede ajustar dinámicamente. Luego, el reloj se cambia en el campo en función de la carga para ahorrar energía.

III. Entonces, cómo se elige la frecuencia y por qué algunas veces el diseño funciona en un reloj más bajo tendrá una mayor capacidad de procesamiento:

Oh, chico, hay tantas variables, así que esta es una disciplina de ingeniería en sí misma. Tiene en cuenta los requisitos de marketing, tecnología, costo, EMI, potencia, estándar admitido, requisitos de E / S, etc., etc.

Pero, básicamente, uno puede simplificar esto a continuación: para lograr un rendimiento dado, uno puede tener un reloj más rápido (hacer cosas en serie uno tras otro) o hacer cosas en paralelo a un reloj más bajo a costa de usar más transistores. Debido a algunos factores, principalmente la pérdida de memoria / pérdida de la tubería, a veces es mejor usar más transistores que un reloj más rápido.

En el ámbito integrado, a menudo se elige una frecuencia específica debido a restricciones con los periféricos del microcontrolador. Por ejemplo, se podría usar un cristal de 1.8432 MHz (o múltiplo de esta frecuencia, como 18.432 MHz) porque esta frecuencia base dividida por 16 da como resultado una velocidad de 115.200 baudios para un UART. 32768 Hz a menudo se usa para aplicaciones de microcontroladores de baja potencia porque se divide fácilmente a 1 Hz para mantener el tiempo.

Aquí hay una lista de varias frecuencias de cristal y la razón por la que existen. Los que figuran en la lista "reloj UART" a menudo se seleccionan para microcontroladores por la razón dada anteriormente; el específico elegido depende de la circuitería del BRG (generador de velocidad de transmisión) y de la velocidad de transmisión deseada.

En realidad, la potencia disipada por un circuito CMOS es una suma del consumo de energía estática (causada por las corrientes de fuga) y el consumo de energía dinámico (consumido solo cuando los transistores están cambiando el estado lógico). Este último es una función de la frecuencia de conmutación.

Aquí hay una excelente nota de aplicación de TI que lo describe con más detalles: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Dicho esto, generalmente es la mejor idea seleccionar una frecuencia de reloj más baja. Sin embargo, a veces tiene más sentido usar una frecuencia de reloj más alta, por ejemplo, el controlador de interrupciones puede finalizar su tarea más rápido y cambiar la CPU al modo de ahorro de energía entre interrupciones.

Como se mencionó anteriormente, las personas hacen intercambios entre velocidad y poder.

En el extremo de alto rendimiento del mercado, es más complejo, en el caso de Intel hay problemas competitivos, ¿qué tan rápido puedo hacer que el silicio funcione? depende - para ejecutar una instrucción toma varios relojes - Como un ejemplo (muy) simple podría ser capaz de construir una tubería de 4 relojes / instrucciones que funciona a 1 GHz y una tubería de 6 relojes / instrucciones que funciona a 1.25 GHz. Todavía me retiraré 1 instrucción en cada reloj y la tubería de 6 relojes / instrucciones será más rápida

En el mundo real, aunque ocurren cosas como burbujas de tubería, mientras más etapas de tubería tenga, más relojes perderá cuando tenga que rellenar la tubería: la tubería de 4 relojes se llenará más rápido que la tubería de 6 relojes y en promedio (en un grupo grande de puntos de referencia) la tubería de 6 relojes podría tomar 2 relojes para retirar cada instrucción en comparación con los 1.5 relojes para el diseño de etapa de 4 tuberías: el diseño de 4 etapas superará a la etapa 6 (1gHz / 1.5> 1.25GHz / 2).

Por supuesto, es difícil para los expertos en marketing vender cosas como esta: la gente está tan acostumbrada a "más GHz significa más rápido"

Otra consideración es EMC / EMI: compatibilidad electromagnética / interferencia electromagnética.

Por ejemplo, las señales digitales de alta velocidad pueden crear radiación RF no intencional (frecuencia de radio, de onda larga a microondas) que puede ser una fuente de interferencia para el uso de RF con licencia. Esto incluye la transmisión de radio AM (MW), transmisión de televisión, teléfonos celulares, receptores de GPS y otros circuitos electrónicos.

De hecho, a altas velocidades, las trazas largas (cobre) en una placa de circuito impreso (PCB) pueden actuar como antenas, tanto para transmitir como para recibir. Por ejemplo, un circuito mal diseñado podría recibir fácilmente suficiente interferencia si un teléfono móvil se coloca demasiado cerca de la placa de circuito para bloquear un sistema.

Los satélites también deben considerar la radiación ionizante (es decir, partículas gamma), una solución requiere el uso de circuitos integrados endurecidos por radiación que solo pueden operar a velocidades limitadas debido al proceso de fabricación.

Debido a esto, los productos comerciales tienen que pasar por pruebas EMC / EMI antes de poder ser vendidos al mercado general.