¿Se requiere un voltaje específico para una frecuencia específica (en procesadores)?

Esto no es realmente complicado, sino más bien complejo. En términos generales, la velocidad (frecuencia de funcionamiento) de un procesador depende de la velocidad de conmutación de las puertas lógicas. La velocidad de conmutación, a su vez, depende de la fuerza impulsora de los pares de transistores, que deben impulsar las redes conectadas. Las redes tienen cierta capacitancia, por lo que con el riel de voltaje más alto, el umbral de voltaje (conmutación) se alcanza más rápido (ya que los umbrales del transistor se fijan en un proceso de fabricación particular), por lo que el retraso de la puerta es menor y las tuberías pueden funcionar más rápido.

Sin embargo, con un voltaje de conmutación más alto, la puerta se disiparía más (en función de V ^ ^ 2), por lo que la matriz puede sobrecalentarse, lo que tiene el efecto opuesto, reduce la velocidad de conmutación y también puede destruir la unidad lógica, digamos por aumentar drásticamente la tasa de electromigración. Esto impone un límite superior en la relación voltaje-velocidad.

En la idea de "escalamiento" dinámico, algunos bloques de CPU (como el controlador de caché/memoria) se pueden configurar sobre la marcha para que se ejecuten más rápido, lo que necesita un voltaje más alto. Entonces, la idea es que cada bloque lógico importante tenga una fuente de alimentación LDO interna y una unidad de control de reloj variable. Si existe una demanda de una ejecución más rápida de esta unidad, un procesador auxiliar llamado "PMU", Unidad de administración de energía, elevaría el voltaje correspondiente y luego aumentaría su reloj de ejecución. Cuando la demanda disminuye, la PMU baja el reloj primero y luego reduce el voltaje. Y el microcódigo PMU también controla la temperatura de los bloques.

En resumen, para cada nivel de voltaje razonable, existe una frecuencia de reloj máxima cuando la lógica puede operar sin errores de tiempo. Por lo general, una frecuencia de reloj más baja está bien, pero se puede optimizar el bloque para que funcione a un voltaje más bajo, lo que tiene ventajas de ahorro de energía (como menos fugas). En el extremo inferior, si el voltaje se establece demasiado bajo, la frecuencia de operación puede ser cero, por lo que la lógica solo puede mantener estados de flip-flop, pero no puede cambiar.

¿Se requiere un voltaje específico para una frecuencia específica (en procesadores)?

Como se le preguntó, la respuesta es no. No existe una ley o mecanismo general que dicte que necesita el voltaje V para usar la frecuencia F.

Leí en un artículo sobre la latencia en el voltaje dinámico y el escalado de frecuencia, que el voltaje tiene que "soportar" la frecuencia. Según este documento, si la frecuencia es demasiado alta para el voltaje, provoca un "estado peligroso" (me encanta lo específicos que son).

Ahora bien, este es un asunto diferente. Para cualquier procesador o tecnología específica, la velocidad a la que las puertas, los transistores, dentro del dispositivo pueden cambiar de un nivel lógico bajo a un nivel lógico alto, o viceversa, tiene un máximo finito. El tiempo empleado se denomina tiempo de subida y tiempo de caída y es independiente de la frecuencia de la señal.

Como tal, puede ver que a medida que aumenta la frecuencia, los puntos altos y bajos planos se reducen en ancho en relación con las transiciones. Si aumenta demasiado la frecuencia, los niveles alto y bajo NUNCA se alcanzan y el dispositivo ya no funcionará.

Además, durante la conmutación, se consume una cantidad considerable de energía durante esas transiciones en comparación con muy poca energía para mantener el nivel. De nuevo, a medida que la frecuencia se acerca a los tiempos de subida y bajada, la potencia consumida y el calor generado en el dispositivo aumentan y pueden hacer que se derrita.

Reducir el nivel de voltaje ayuda aquí. Mirando el pulso de arriba, puede ver que al reducir a la mitad el voltaje, los tiempos de subida y bajada también se reducen a la mitad. Eso le da la capacidad de aumentar la velocidad del reloj más de lo que podría con el voltaje original.

Sin embargo: También hay un costo en la reducción del voltaje de operación. Cuando reduce el voltaje, también termina reduciendo la relación señal / ruido. Es decir, y como ejemplo extremo, a una CPU de 5V puede no importarle 1V de ruido, pero una CPU de 1.8V definitivamente lo odiará. Como tal, hay una compensación aquí.

También existen dispositivos híbridos. Muchos procesadores modernos en realidad usan un voltaje interno que es mucho menor que el voltaje aplicado para adaptarse a una conmutación más rápida mientras se traduce el nivel a los pines externos.