¿Por qué un reloj más rápido requiere más potencia?

Si overclockea un microcontrolador, se calienta.

Si overclockea un microcontrolador, necesita más voltaje.

De alguna manera abstracta tiene sentido: está haciendo más cómputos, por lo que necesita más energía (y al ser menos que perfecta, parte de esa energía se disipa en forma de calor).

Sin embargo, a partir de un simple nivel de ley y magnetismo de Ohm, ¿qué está pasando?

¿Por qué la frecuencia del reloj tiene algo que ver con la disipación de energía o el voltaje?

Hasta donde sé, la frecuencia de CA no tiene nada que ver con su voltaje o potencia, y un reloj es solo una súper posición de una CC y una CA (cuadrada). La frecuencia no afecta la corriente continua.

¿Hay alguna ecuación que relacione la frecuencia y voltaje del reloj o la frecuencia y potencia del reloj?

Quiero decir, ¿un oscilador de alta velocidad necesita más voltaje o potencia que uno de baja velocidad?

El voltaje requerido se ve afectado por mucho más que la velocidad del reloj, pero tiene razón, para velocidades más altas necesitará voltajes más altos en general.

¿Por qué aumenta el consumo de energía?

Esto es mucho más complicado que un circuito simple, pero puede pensar que es similar a un circuito RC.

Circuito RC equitativo

En DC, un circuito RC no consume energía. A una frecuencia de infinito, que no es alcanzable, pero siempre se puede resolver esto teóricamente, el capacitor actúa como un cortocircuito y queda una resistencia. Esto significa que tiene una carga simple. A medida que la frecuencia disminuye, el condensador almacena y descarga energía, lo que causa una menor cantidad de energía disipada en general.

¿Qué es un microcontrolador?

En su interior está formado por muchos MOSFET en una configuración que llamamos CMOS .

Si intenta cambiar el valor de la puerta de un MOSFET, solo está cargando o descargando un condensador. Este es un concepto que me cuesta explicarles a los estudiantes. El transistor hace mucho, pero para nosotros solo parece un condensador de la puerta. Esto significa que en un modelo el CMOS siempre tendrá una carga de capacitancia.

Wikipedia tiene una imagen de un inversor CMOS al que haré referencia.

El inversor CMOS tiene una salida etiquetada como Q. Dentro de un microcontrolador, su salida conducirá otras puertas lógicas CMOS. Cuando su entrada A cambia de mayor a menor, la capacitancia en Q debe descargarse a través del transistor en la parte inferior. Cada vez que carga un condensador, ve el uso de energía. Puede ver esto en wikipedia en cambio de energía y fugas .

¿Por qué tiene que subir el voltaje?

A medida que aumenta el voltaje, es más fácil llevar la capacitancia al umbral de su lógica. Sé que esto parece una respuesta simplista, pero es así de simple.

Cuando digo que es más fácil manejar la capacitancia, me refiero a que se conducirá entre los umbrales más rápido, como dice la mazurnificación:

Con el aumento de la capacidad de accionamiento del suministro del transistor MOS también aumenta (Vgs más grandes). Eso significa que la R real de RC disminuye y es por eso que la puerta es más rápida.

En relación con el consumo de energía, debido a lo pequeños que son los transistores hay una gran fuga a través de la capacitancia de la puerta, Mark tuvo un poco que agregar sobre esto:

mayor voltaje resulta en una mayor corriente de fuga. En dispositivos con un alto conteo de transistores, como una moderna computadora de escritorio, la corriente de fuga de la CPU puede representar la mayoría de la disipación de energía. A medida que el tamaño del proceso se reduce y el recuento de transistores aumenta, la corriente de fuga se convierte cada vez más en la estadística crítica de uso de energía.

En general, las puertas CMOS solo usan corriente cuando cambian de estado. Por lo tanto, cuanto más rápida sea la velocidad del reloj, más a menudo se conmutarán las compuertas, por lo que se conmuta más corriente y se consume más energía.

Bueno, se trata de transiciones de nivel lógico.

Cuando cualquier bit de una salida cambia ... el valor eléctrico debe moverse de mayor a menor, o de menor a mayor. Esto extrae energía de la fuente de alimentación o devuelve algo de energía al plano de tierra. También genera un poco de calor residual debido a ineficiencias.

Si aumenta la velocidad del reloj, aumenta el número de estas transiciones por unidad de tiempo, por lo tanto, usa más potencia para alimentar estas transiciones de nivel lógico.

Los mayores requisitos de voltaje son un poco diferentes. El tiempo que tarda una señal en pasar de bajo a alto se llama tiempo de subida. Para operar de manera segura a cualquier frecuencia dada, la lógica debe ser capaz de hacer esta transición de manera consistente antes de que el siguiente reloj muestree el nuevo valor. En cierto punto, la lógica no podrá cumplir con los requisitos de tiempo de subida de una frecuencia particular. Aquí es donde aumentará el voltaje, ya que disminuye el tiempo de subida.

El calor es bastante simple. El chip está diseñado para manejar una cierta cantidad de calor generado por una determinada velocidad de reloj. Aumente el número de transiciones al aumentar la velocidad del reloj y obtendrá más calor residual. Al hacer overclocking, puede superar fácilmente la capacidad del sistema de enfriamiento para eliminar ese calor.

Piense en un circuito RC básico donde R y C están en paralelo. Nuestro objetivo es tener un reloj en la salida de este circuito: una onda cuadrada de 0-5V 1KHz. Entonces, cuando queremos que el reloj esté alto, encendemos nuestra fuente de voltaje y carga el capacitor hasta que la salida esté a 5V, y cuando queremos 0V lo apagamos y dejamos que se descargue. El tiempo de carga / descarga está determinado por la constante RC del circuito. Hay un problema: el circuito no se carga lo suficientemente rápido para un reloj de 1KHz. ¿Qué debo hacer?

No podemos cambiar la constante RC del circuito, está arreglado. Por lo tanto, tenemos que cargar el condensador más rápido de alguna manera, pero todavía tenemos el mismo voltaje cargado. Para hacer esto, necesitamos un circuito activo que monitoree el voltaje de salida del circuito RC y varíe la corriente que ingresa al condensador para cargarlo más rápido. Más corriente significa más potencia.

Cuando desee un reloj más rápido, necesita cargar el condensador más rápido. Carga un condensador empujando la corriente hacia él. Corriente * voltaje = potencia. ¡Necesitas más poder!

Todo en un sistema digital está atado al reloj y todo tiene capacitancia. Si tiene 100 chips TTL en un reloj, tiene que conducir mucha corriente para cargarlos a todos, y luego extraer mucha corriente para tirarlos hacia abajo. La razón fundamental por la que la ley de ohmios no se cumple es porque estos son dispositivos activos, no pasivos. Hacen trabajos eléctricos para forzar al reloj a estar lo más cerca posible de una onda cuadrada perfecta.

Si overclockea un microcontrolador, se calienta

Sí, un cambio más rápido significa que fluye más corriente y la potencia es voltaje * corriente. Incluso si el voltaje se mantiene igual, la corriente utilizada aumenta, por lo que una mayor disipación de energía, más calor.

Si overclockea un microcontrolador, necesita más voltaje

Parcialmente cierto: necesita más potencia, no necesariamente más voltaje. El microcontrolador está de alguna manera convirtiendo el voltaje extra en más corriente para lograr sus necesidades.

Hasta donde sé, la frecuencia de CA no tiene nada que ver con su voltaje o potencia, y un reloj es solo una súper posición de una CC y una CA (cuadrada). La frecuencia no afecta la corriente continua.

Solo para una carga puramente resistiva. Están ocurriendo muchos trucos con la alimentación de CA.

¿Hay alguna ecuación que relacione la frecuencia y voltaje del reloj o la frecuencia y potencia del reloj?

Probablemente no sea consistente, pero está relacionado con las ecuaciones simples Q = CV, V = I * R, P = I * V

Solo recuerde: Mayor frecuencia => tiempo de subida más rápido => debe llenar los condensadores más rápido => más carga => más corriente => más potencia .

Potencia = factor de conmutación * Capacitancia * (VDD ^ 2) * frecuencia.

Como el reloj rápido tiene un factor de conmutación más alto y también una frecuencia más alta, por lo tanto, un mayor consumo de energía dinámica.