¿Por qué un reloj más rápido requiere más potencia?

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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?

Jack Schmidt
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Gracias por las buenas respuestas. Un bit crítico que me faltaba es que (estilo Atmel de 1 MHz) CMOS en realidad no usa mucha corriente cuando no está haciendo nada. TTL tiende a usar corriente todo el tiempo, y eso es más de lo que estaba imaginando. Realmente me gusta el condensador cargando respuestas; Esto da una razón mucho más clara por la cual los "cálculos" deberían requerir energía. Desearía poder aceptar múltiples respuestas.
Jack Schmidt

Respuestas:

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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.

Esquema del inversor CMOS

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.

Kortuk
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combina cosas que agregaría: un mayor voltaje da como resultado 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.
Mark
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En segundo lugar, un voltaje más alto permite que los transistores cambien más rápidamente debido a cómo se cargan los condensadores. Sabemos que un condensador se cargará al 63% del voltaje de entrada en 1 constante de tiempo, bueno, si elevamos el voltaje de entrada, entonces el 63% de ese voltaje es obviamente más alto, lo que significa que el transistor tardará menos tiempo en cargarse al voltaje de ENCENDIDO para el transistor Por lo tanto, el voltaje más alto no facilita el cambio, sino que es más rápido.
Mark
Quise decir más rápido cuando dije más fácil. Déjame corregir eso y agregar tu presupuesto extra.
Kortuk
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La parte sobre por qué el aumento del voltaje disminuye el tiempo de conmutación no es correcta. El umbral de la puerta CMOS también cambiará con el voltaje de suministro (y dentro de un rango de suministro razonable será más o menos igual a la fracción constante del suministro, por ejemplo, 50%). Como el cambio porcentual del voltaje no depende del suministro (un RC siempre será ~ 63% independientemente del suministro), esta no es la razón por la cual el suministro mide. Con el aumento de la capacidad de transmisión 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.
mazurnificación
@mazurnificación, honestamente no podía recordar por qué, y tomé lo que alguien dijo que sabía. Supuse que alguien sabía que vendrían a dejarlo caer. Su explicación tiene sentido para mí y la he editado.
Kortuk
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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.

tcrosley
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Esto no tiene sentido si lo piensas. Considere un cálculo arbitrario que requiera unos 10 ciclos de reloj para completar. Si su frecuencia de operación es de 10Hz, entonces toma un segundo terminar y ha consumido la cantidad de energía requerida en el proceso. Sin embargo, si su frecuencia de reloj fuera de solo 1Hz, tomaría 10 segundos (10 veces más), pero en cada reloj solo consumiría 1/10 de la cantidad de energía: el consumo de energía es directamente propicio para cambiar la frecuencia. Por lo tanto, el consumo de energía general es exactamente el mismo.
sherrellbc
Entonces, realmente, se consume más energía por tiempo a frecuencias más altas, pero en general no hay red de ninguna manera.
sherrellbc
@sherrellbc Para ese cálculo, la potencia sería la misma si se extendiera durante 10 segundos a una frecuencia más baja o si se ejecutara en un segundo a una frecuencia más alta. De hecho, este principio se utiliza para ahorrar energía en dispositivos que funcionan con baterías. Pero la potencia por un segundo a alta frecuencia es 10 veces la potencia en un segundo a baja frecuencia, es por eso que el chip se calienta a la frecuencia más alta y requiere 10 veces más potencia para manejarlo.
tcrosley
Ese fue precisamente mi punto. La potencia consumida por tiempo aumenta y, en consecuencia, el dispositivo se va a calentar a medida que se gasta esta energía. Simplemente estaba afirmando que el consumo general de energía en comparación con el terreno nivelado (es decir, el cálculo equivalente completado en ambos dispositivos) será exactamente el mismo. El dispositivo de mayor frecuencia se calentará más, ya que el calor tiene menos tiempo para disipar que en el último dispositivo de funcionamiento más lento. En resumen, supongo que el punto es simplemente que ambos dispositivos consumirían exactamente la misma energía en diferentes intervalos de tiempo.
sherrellbc
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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.

Darron
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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 .

AngryEE
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Creo que es más exacto decir que los está llenando y vaciando con más frecuencia, no ver que lo está haciendo más rápido. Solo cuando te acercas a su frecuencia aumentas el voltaje.
Kortuk
Creo que sabes lo que estás diciendo, pero solo quería ser claro en un comentario sobre cómo lo estabas comparando.
Kortuk
A una frecuencia más alta, TIENE que hacerlo más rápido; no puede permitirse una rampa lenta porque su onda cuadrada puede convertirse en una onda triangular si es demasiado lenta. Hacerlo con más frecuencia también lo empeora, pero eso es alimentación de CA, y me confunde :)
AngryEE
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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.

Shankhadeep Mukerji
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