Por que um relógio mais rápido requer mais energia?


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Se você overclock um microcontrolador, ele fica quente.

Se você fizer um overclock em um microcontrolador, ele precisará de mais voltagem.

De alguma maneira abstrata, faz sentido: está fazendo mais computação, por isso precisa de mais energia (e sendo menos do que perfeita, parte dessa energia se dissipa em calor).

No entanto, do nível da lei de Ohm da eletricidade e magnetismo, o que está acontecendo?

Por que a frequência do relógio tem algo a ver com dissipação de energia ou tensão?

Até onde eu sei, a frequência da CA não tem nada a ver com a sua tensão ou potência, e um relógio é apenas uma super posição de uma CC e uma CA (quadrada). A frequência não afeta o DC.

Existe alguma equação relacionada à frequência e tensão do relógio ou à frequência e potência do relógio?

Quero dizer, um oscilador de alta velocidade precisa de mais voltagem ou energia do que um de baixa velocidade?


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Obrigado pelas ótimas respostas. Um ponto crítico que me faltava é que (no estilo Atmel de 1 MHz) o CMOS não usa muita corrente quando não está fazendo nada. TTL tende a usar corrente o tempo todo, e isso é mais o que eu estava imaginando. Eu realmente gosto das respostas de carregamento do capacitor; isso fornece uma razão muito mais clara pela qual "cálculos" devem exigir energia. Eu gostaria de poder aceitar várias respostas.
Jack Schmidt

Respostas:


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A voltagem necessária é afetada significativamente mais do que a velocidade do relógio, mas você está correto, para velocidades mais altas, você precisará de voltagens mais altas em geral.

Por que o consumo de energia aumenta?

Isso é muito mais confuso do que um circuito simples, mas você pode pensar que é semelhante a um circuito RC.

Circuito RC equivalente

Na CC, um circuito RC não consome energia. Em uma frequência de infinito, o que não é possível, mas você sempre pode resolver isso teoricamente, o capacitor age como um curto e você fica com um resistor. Isso significa que você tem uma carga simples. À medida que a frequência diminui, o capacitor armazena e descarrega energia, causando uma quantidade menor de energia dissipada em geral.

O que é um microcontrolador?

No interior, ele é composto de muitos MOSFETs em uma configuração que chamamos de CMOS .

Se você tentar alterar o valor da porta de um MOSFET, estará apenas carregando ou descarregando um capacitor. Este é um conceito que eu tenho dificuldade em explicar aos alunos. O transistor faz muito, mas para nós parece um capacitor do portão. Isso significa que, em um modelo, o CMOS sempre terá uma carga de capacitância.

A Wikipedia possui uma imagem de um inversor CMOS que eu irei referenciar.

CMOS Inverter Schematic

O inversor CMOS possui uma saída denominada Q. Dentro de um microcontrolador, sua saída estará acionando outras portas lógicas do CMOS. Quando sua entrada A muda de alta para baixa, a capacitância em Q deve ser descarregada através do transistor na parte inferior. Toda vez que você carrega um capacitor, vê o uso de energia. Você pode ver isso na wikipedia em comutação de energia e vazamento .

Por que a tensão precisa subir?

À medida que a tensão aumenta, fica mais fácil direcionar a capacitância para o limiar de sua lógica. Eu sei que isso parece uma resposta simplista, mas é simples assim.

Quando digo que é mais fácil dirigir a capacitância, quero dizer que ela será conduzida entre os limiares mais rapidamente, como diz a mazurnificação:

Com o aumento da capacidade da unidade de alimentação do transistor MOS também aumenta (Vgs maior). Isso significa que o R real de RC diminui e é por isso que o gate é mais rápido.

Em relação ao consumo de energia, devido à quantidade de transistores pequenos, há um grande vazamento através da capacitância da porta, Mark tinha um pouco a acrescentar sobre isso:

tensão mais alta resulta em corrente de fuga mais alta. Em dispositivos com alta contagem de transistores, como uma corrente de vazamento de CPU de desktop moderna, pode ser responsável pela maior parte da dissipação de energia. À medida que o tamanho do processo diminui e a contagem de transistores aumenta, a corrente de fuga se torna cada vez mais a estatística crítica do uso de energia.


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coisas que gostaria de acrescentar: tensão mais alta resulta em maior corrente de fuga. Em dispositivos com alta contagem de transistores, como uma corrente de vazamento de CPU de desktop moderna, pode ser responsável pela maior parte da dissipação de energia. À medida que o tamanho do processo diminui e a contagem de transistores aumenta, a corrente de fuga se torna cada vez mais a estatística crítica do uso de energia.
Mark

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Em segundo lugar, uma voltagem mais alta permite que os transistores mudem mais rapidamente devido à maneira como os capacitores carregam. Sabemos que um capacitor carregará até 63% da tensão de entrada em 1 constante de tempo, bem, se aumentarmos a tensão de entrada, 63% dessa tensão será obviamente mais alta, o que significa que o transistor levará menos tempo para carregar a tensão ON para o transistor. Portanto, a tensão mais alta não facilita a troca, mas é mais rápida.
Mark

Eu quis dizer mais rápido quando disse mais fácil. Deixe-me corrigir isso e adicionar sua cotação extra.
Kortuk

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A parte sobre por que o aumento da tensão diminui o tempo de comutação não está correta. O limiar da porta do CMOS também mudará com a tensão de alimentação (e dentro da faixa de fornecimento razoável será mais ou menos igual à fração constante da alimentação - por exemplo, 50%). Como a variação percentual da tensão não depende da fonte (um RC sempre será ~ 63%, independentemente da fonte), essa não é a razão pela qual a fonte mede. Com o aumento da capacidade da unidade de alimentação do transistor MOS também aumenta (Vgs maior). Isso significa que o R real de RC diminui e é por isso que o gate é mais rápido.
Mazurnification

@mazurnification, eu sinceramente não conseguia lembrar o porquê, e peguei o que alguém disse que sabia. Imaginei que alguém sabia melhor que eles iriam largá-lo. Sua explicação faz sentido para mim e eu ter editado-lo.
Kortuk

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Em geral, os portões do CMOS usam corrente somente quando trocam de estado. Portanto, quanto mais rápida a velocidade do relógio, mais frequentemente os portões são trocados, mais corrente é trocada e mais energia é consumida.


Isso não faz sentido se você pensar sobre isso. Considere um cálculo arbitrário que exija cerca de 10 ciclos de clock para ser concluído. Se a sua frequência operacional for 10Hz, leva um segundo para terminar e você consumiu a quantidade de energia necessária no processo. No entanto, se a frequência do relógio fosse de apenas 1 Hz, levaria 10 segundos (10 vezes mais), mas a cada relógio você consumiria apenas 1/10 da quantidade de energia - o consumo de energia é diretamente proporcional à frequência de comutação. Portanto, o consumo geral de energia é precariamente o mesmo.
sherrellbc

Então, realmente, mais energia por tempo está sendo consumida em frequências mais altas, mas no geral não há rede de qualquer maneira.
Sherrellbc

@sherrellbc Para esse cálculo, a potência seria a mesma, fosse esticada por 10 segundos em uma frequência mais baixa ou executada em um segundo em uma frequência mais alta. De fato, esse princípio é usado para economizar energia em dispositivos operados por bateria. Mas a potência por um segundo em alta frequência é 10 vezes a potência em um segundo em baixa frequência - é por isso que o chip esquenta na frequência mais alta e requer 10 vezes mais energia para acioná-lo.
precisa saber é o seguinte

Esse foi exatamente o meu ponto. A energia consumida por tempo aumenta e, consequentemente, o dispositivo aquece à medida que essa energia é gasta. Eu estava apenas afirmando que o consumo geral de energia quando comparado em nível do solo (ou seja, computação equivalente concluída em ambos os dispositivos) será exatamente o mesmo. O dispositivo de frequência mais alta esquenta mais, já que o calor tem menos tempo para dissipar do que no dispositivo operacional mais lento. Suponho que, em suma, o ponto é simplesmente que ambos os dispositivos consumiriam exatamente a mesma energia em intervalos de tempo diferentes.
Sherrellbc

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Bem, é tudo sobre transições de nível lógico.

Quando qualquer bit único de uma saída muda ... o valor elétrico deve ser reduzido de alto para baixo ou baixo para alto. Isso puxa a energia da fonte de alimentação ou despeja alguma energia de volta no plano de terra. Também gera um pouco de calor desperdiçado devido a ineficiências.

Se você aumenta a taxa de clock, aumenta o número dessas transições por unidade de tempo, portanto, usa mais energia para alimentar essas transições de nível lógico.

O aumento dos requisitos de voltagem é um pouco diferente. O tempo que leva um sinal para fazer a transição de baixo para alto é chamado de tempo de subida. Para operar com segurança em qualquer frequência, a lógica deve ser capaz de fazer essa transição de forma consistente antes que o próximo relógio mostre o novo valor. Em um determinado momento, a lógica não poderá atender aos requisitos de tempo de subida de uma frequência específica. É aqui que o aumento da tensão ajuda, pois diminui o tempo de subida.

O calor é bastante simples. O chip foi projetado para lidar com uma certa quantidade de calor gerada por uma determinada taxa de clock. Aumente o número de transições aumentando a taxa de clock e você obterá mais calor desperdiçado. Ao fazer overclock, você pode facilmente ultrapassar a capacidade do sistema de refrigeração de remover esse calor.


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Pense em um circuito RC básico onde R e C estão em paralelo. Nosso objetivo é ter um relógio na saída deste circuito - uma onda quadrada de 0-5V 1KHz. Então, quando queremos que o relógio esteja alto, ligamos nossa fonte de tensão e ele carrega o capacitor até a saída estar em 5V, e quando queremos 0V, desligamos e deixamos descarregar. O tempo de carga / descarga é determinado pela constante RC do circuito. Há um problema - o circuito não carrega rápido o suficiente para um relógio de 1KHz. O que eu faço?

Não podemos alterar a constante RC do circuito - está fixa. Portanto, precisamos carregar o capacitor mais rapidamente, mas ainda temos a mesma tensão carregada. Para fazer isso, precisamos de um circuito ativo que monitore a tensão de saída do circuito RC e varie a corrente que entra no capacitor para carregá-lo mais rapidamente. Mais corrente significa mais poder.

Quando você quer um relógio mais rápido, precisa carregar o capacitor mais rapidamente. Você carrega um capacitor pressionando a corrente nele. Corrente * tensão = potência. Você precisa de mais poder!

Tudo em um sistema digital está ligado ao relógio e tudo tem capacitância. Se você tiver 100 chips TTL em um relógio, ele precisará gerar muita corrente para carregar todos eles, e então extrair muita corrente para puxá-los para baixo. A razão fundamental pela qual a lei de ohms não se sustenta é porque esses são dispositivos ativos, não passivos. Eles fazem trabalho elétrico para forçar o relógio a ficar o mais próximo possível de uma onda quadrada perfeita.

Se você overclock um microcontrolador, ele fica quente

Sim - uma mudança mais rápida significa mais corrente fluindo e energia é tensão * corrente. Mesmo que a tensão permaneça a mesma, a corrente usada aumenta, portanto, mais dissipação de energia, mais calor.

Se você overclock um microcontrolador, ele precisa de mais voltagem

Parcialmente verdade - ele precisa de mais energia, não necessariamente de mais tensão. O microcontrolador está, de alguma forma, convertendo a tensão extra em mais corrente para atender às suas necessidades.

Até onde eu sei, a frequência da CA não tem nada a ver com a sua tensão ou potência, e um relógio é apenas uma super posição de uma CC e uma CA (quadrada). A frequência não afeta o DC.

Somente para uma carga puramente resistiva. Há muitos truques acontecendo com a alimentação CA.

Existe alguma equação relacionada à frequência e tensão do relógio ou à frequência e potência do relógio?

Provavelmente não é consistente, mas está relacionada às equações simples Q = CV, V = I * R, P = I * V

Lembre-se: Maior frequência => tempo de subida mais rápido => deve preencher os capacitores mais rapidamente => mais carga => mais corrente => mais potência .


Eu acho que é mais preciso dizer que você está enchendo e esvaziando-os com mais frequência, não para ver que você está fazendo isso mais rápido. Somente quando você se aproxima da frequência deles você aumenta a tensão.
Kortuk

Acho que você sabe o que está dizendo, mas só queria deixar claro em um comentário sobre como você o comparava.
Kortuk

Em frequências mais altas, você PRECISA fazê-lo mais rapidamente - você não pode permitir uma rampa lenta, porque sua onda quadrada pode se transformar em uma onda triangular se for muito lenta. Fazê-lo com mais freqüência também torna pior, mas isso é poder AC, e isso me confunde :)
AngryEE

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Potência = fator de comutação * Capacitância * (VDD ^ 2) * frequência.

Como o relógio rápido possui um fator de comutação mais alto e também uma frequência mais alta, o consumo de energia dinâmica é maior.

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