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.
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.