¿Por qué un reloj más rápido requiere más energía?

El voltaje requerido se ve afectado significativamente 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 puedes pensar que es similar a un circuito RC.

circuito RC equivalente

En CC, un circuito RC no consume energía. A una frecuencia de infinito, que no es alcanzable, pero siempre puedes resolver esto teóricamente, el capacitor actúa como un cortocircuito y te queda una resistencia. Esto significa que tienes una carga simple. A medida que la frecuencia disminuye, el condensador almacena y descarga energía, lo que provoca 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 capacitor. Este es un concepto que me cuesta mucho explicar a los estudiantes. El transistor hace mucho, pero para nosotros solo se ve como un capacitor 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 me referiré.

El inversor CMOS tiene una salida etiquetada como Q. Dentro de un microcontrolador, su salida controlará otras puertas lógicas CMOS. Cuando su entrada A cambia de alta a baja, la capacitancia en Q debe descargarse a través del transistor en la parte inferior. Cada vez que carga un capacitor, ve el uso de energía. Puede ver esto en wikipedia en conmutación 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 conducir la capacitancia, quiero decir que será conducida entre los umbrales más rápido, como lo expresó mazurnification:

Con una mayor capacidad de accionamiento de 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 tiene algo que agregar al respecto:

un voltaje más alto da como resultado una corriente de fuga más alta. En dispositivos con una gran cantidad de transistores, como una CPU de escritorio moderna, la corriente de fuga puede representar la mayor parte de la disipación de energía. a medida que el tamaño del proceso se vuelve más pequeño y el número 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. Entonces, cuanto más rápida es la velocidad del reloj, más a menudo se cambian las puertas, por lo tanto, se cambia 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 cambiar de alto a bajo, o de bajo a alto. Esto extrae energía de la fuente de alimentación o descarga algo de energía en el plano de tierra. También genera un poco de calor residual debido a las ineficiencias.

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

Los requisitos de mayor voltaje son un poco diferentes. El tiempo que tarda una señal en pasar de bajo a alto se denomina tiempo de subida. Para operar de manera segura a cualquier frecuencia dada, la lógica debe poder realizar esta transición de manera constante antes de que el próximo reloj muestre 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 ayudará aumentar 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 frecuencia de reloj. Aumente el número de transiciones aumentando la frecuencia 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 en 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 1 KHz. ¿Qué debo hacer?

No podemos cambiar la constante RC del circuito, es fija. Entonces tenemos que cargar el capacitor más rápido de alguna manera, pero aún tener 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 capacitor para cargarlo más rápido. Más corriente significa más potencia.

Cuando desea un reloj más rápido, necesita cargar el capacitor más rápido. Cargas un condensador empujando corriente en él. Corriente * voltaje = potencia. ¡Necesitas más poder!

Todo en un sistema digital está ligado al reloj y todo tiene capacitancia. Si tiene 100 chips TTL en un reloj, tiene que generar mucha corriente para cargarlos todos, luego consumir mucha corriente para bajarlos. La razón fundamental por la que la ley de ohmios no se cumple es porque estos son dispositivos activos, no pasivos. Hacen trabajo eléctrico para obligar al reloj a estar lo más cerca posible de una onda cuadrada perfecta.

Si overclockeas un microcontrolador se calienta

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

Si overclockea un microcontrolador, necesita más voltaje

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

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

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

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

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

Solo recuerde: frecuencia más alta => 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.