Warum benötigt eine schnellere Uhr mehr Leistung?

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Wenn Sie einen Mikrocontroller übertakten, wird es heiß.

Wenn Sie einen Mikrocontroller übertakten, benötigt er mehr Spannung.

Auf eine abstrakte Art macht es Sinn: Es wird mehr berechnet, daher wird mehr Energie benötigt (und da ein Teil dieser Energie nicht perfekt ist, wird sie als Wärme abgegeben).

Doch was ist los mit Elektrizität und Magnetismus auf der Ebene eines einfachen alten Ohmschen Gesetzes?

Warum hat die Taktfrequenz etwas mit Verlustleistung oder Spannung zu tun?

Soweit ich weiß, hat die Frequenz des Wechselstroms nichts mit seiner Spannung oder Leistung zu tun, und eine Uhr ist nur eine Superposition eines Gleichstroms und eines (quadratischen) Wechselstroms. Die Frequenz beeinflusst den Gleichstrom nicht.

Gibt es eine Gleichung in Bezug auf Taktfrequenz und Spannung oder Taktfrequenz und Leistung?

Ich meine, braucht ein schneller Oszillator mehr Spannung oder Leistung als ein langsamer?

frequency oscillator low-power

— Jack Schmidt
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Danke für die tollen Antworten. Ein kritischer Punkt, den ich vermisst habe, ist, dass CMOS (1MHz Atmel-Stil) nicht viel Strom verbraucht, wenn es nichts tut. TTL verwendet in der Regel die ganze Zeit Strom, und genau das habe ich mir vorgestellt. Ich mag es wirklich, wenn der Kondensator Antworten lädt. Dies gibt einen viel klareren Grund, warum "Berechnungen" Energie erfordern sollten. Ich wünschte, ich könnte mehrere Antworten akzeptieren.

— Jack Schmidt

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Die erforderliche Spannung wird durch wesentlich mehr als die Taktgeschwindigkeit beeinflusst, aber Sie haben Recht, für höhere Geschwindigkeiten benötigen Sie im Allgemeinen höhere Spannungen.

Warum steigt der Stromverbrauch?

Dies ist viel unübersichtlicher als eine einfache Schaltung, aber Sie können sich vorstellen, dass sie einer RC-Schaltung ähnelt.

RC Schaltung gleichwertig

Bei Gleichstrom verbraucht eine RC-Schaltung keinen Strom. Bei einer Frequenz von unendlich, die nicht erreichbar ist, aber Sie können dies theoretisch immer lösen, wirkt der Kondensator als Kurzschluss und Sie haben einen Widerstand. Sie haben also eine einfache Ladung. Wenn die Frequenz abnimmt, speichert und entlädt sich der Kondensator und verursacht eine geringere Gesamtverlustleistung.

Was ist ein Mikrocontroller?

Im Inneren besteht es aus vielen vielen MOSFETs in einer Konfiguration, die wir als CMOS bezeichnen .

Wenn Sie versuchen, den Wert des Gates eines MOSFET zu ändern, laden oder entladen Sie gerade einen Kondensator. Dies ist ein Konzept, das ich den Schülern nur schwer erklären kann. Der Transistor macht viel, aber für uns sieht es aus wie ein Kondensator aus dem Gate. Dies bedeutet, dass der CMOS in einem Modell immer eine Last mit einer Kapazität aufweist.

Wikipedia hat ein Bild eines CMOS-Inverters, auf den ich verweisen werde.

Der CMOS-Inverter hat einen Ausgang mit der Bezeichnung Q. In einem Mikrocontroller steuert Ihr Ausgang andere CMOS-Logikgatter. Wenn Ihr Eingang A von hoch nach niedrig wechselt, muss die Kapazität an Q über den Transistor an der Unterseite entladen werden. Jedes Mal, wenn Sie einen Kondensator aufladen, wird Strom verbraucht. Sie können dies auf Wikipedia unter Stromumschaltung und Leckage sehen .

Warum muss die Spannung steigen?

Wenn Sie die Spannung erhöhen, können Sie die Kapazität leichter bis zur Schwelle Ihrer Logik steuern. Ich weiß, das scheint eine vereinfachte Antwort zu sein, aber es ist so einfach.

Wenn ich sage, dass es einfacher ist, die Kapazität zu steuern, meine ich, dass sie schneller zwischen den Schwellenwerten gefahren wird, wie es die Mazurnifikation ausdrückte:

Mit zunehmender Versorgung steigt auch die Treiberfähigkeit des MOS-Transistors (größere Vgs). Das bedeutet, dass das tatsächliche R von RC abnimmt und deshalb das Gate schneller ist.

In Bezug auf den Stromverbrauch musste Mark aufgrund der Tatsache, dass bei kleinen Transistoren ein großer Leckstrom durch die Gate-Kapazität auftritt, etwas hinzufügen:

Eine höhere Spannung führt zu einem höheren Leckstrom. In Geräten mit hoher Transistoranzahl wie einer modernen Desktop-CPU kann ein Großteil der Verlustleistung durch Leckströme verursacht werden. Wenn die Prozessgröße kleiner wird und die Transistoranzahl steigt, wird der Leckstrom immer mehr zur kritischen Leistungsverbrauchsstatistik.

— Kortuk
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Paar Dinge, die ich hinzufügen würde: Eine höhere Spannung führt zu einem höheren Leckstrom. In Geräten mit hoher Transistoranzahl wie einer modernen Desktop-CPU kann ein Großteil der Verlustleistung durch Leckströme verursacht werden. Wenn die Prozessgröße kleiner wird und die Transistoranzahl steigt, wird der Leckstrom immer mehr zur kritischen Leistungsverbrauchsstatistik.

— Mark

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Zweitens ermöglicht eine höhere Spannung ein schnelleres Schalten der Transistoren, da sich die Kondensatoren aufladen. Wir wissen, dass ein Kondensator in einer Zeitkonstante auf 63% der Eingangsspannung aufgeladen wird. Wenn wir also die Eingangsspannung erhöhen, sind 63% dieser Spannung offensichtlich höher, was bedeutet, dass der Transistor weniger Zeit benötigt, um auf die EIN-Spannung aufgeladen zu werden für den Transistor. Die höhere Spannung macht das Schalten also nicht einfacher, sondern schneller.

— Mark

Ich meinte schneller, wenn ich leichter sagte. Lassen Sie mich das korrigieren und Ihr zusätzliches Zitat hinzufügen.

— Kortuk

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Der Teil darüber, warum eine erhöhte Spannung die Schaltzeit verringert, ist nicht korrekt. Die Schwelle des CMOS-Gatters ändert sich auch mit der Versorgungsspannung (und ist in einem angemessenen Versorgungsbereich ungefähr gleich einem konstanten Anteil der Versorgung - beispielsweise 50%). Da die prozentuale Änderung der Spannung nicht von der Versorgung abhängt (ein RC ist unabhängig von der Versorgung immer ~ 63%), ist dies nicht der Grund, warum die Versorgung die Messung durchführt. Mit zunehmender Versorgung steigt auch die Treiberfähigkeit des MOS-Transistors (größere Vgs). Das bedeutet, dass das tatsächliche R von RC abnimmt und deshalb das Gate schneller ist.

— mazurnification

@mazurnification, ich konnte mich ehrlich nicht erinnern, warum und nahm, was jemand sagte, sie wussten. Ich nahm an, jemand wusste es besser, er würde kommen und es fallen lassen. Ihre Erklärung macht für mich Sinn und ich habe sie bearbeitet.

— Kortuk

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Im Allgemeinen verbrauchen CMOS-Gatter nur dann Strom, wenn sie den Status wechseln. Je schneller die Taktrate ist, desto häufiger schalten die Gatter, desto mehr Strom wird geschaltet und desto mehr Strom wird verbraucht.

— Tcrosley
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Das macht keinen Sinn, wenn Sie darüber nachdenken. Stellen Sie sich eine beliebige Berechnung vor, die ungefähr 10 Taktzyklen erfordert. Wenn Ihre Betriebsfrequenz 10 Hz beträgt, dauert es eine Sekunde, bis Sie fertig sind. Dabei haben Sie jedoch viel Energie verbraucht. Wenn Ihre Taktfrequenz jedoch nur 1 Hz wäre, würde dies 10 Sekunden (10-mal länger) dauern, aber bei jeder Taktfrequenz würden Sie nur 1/10 der Energiemenge verbrauchen - der Energieverbrauch ist direkt proportional zur Schaltfrequenz. Daher ist der Gesamtstromverbrauch genau gleich.

— Sherrellbc

Tatsächlich wird mehr Strom pro Zeit bei höheren Frequenzen verbraucht, aber insgesamt gibt es in beiden Fällen kein Netz.

— Sherrellbc

@sherrellbc Für diese eine Berechnung wäre die Leistung gleich, unabhängig davon, ob sie bei einer niedrigeren Frequenz über 10 Sekunden gedehnt oder bei einer höheren Frequenz in einer Sekunde ausgeführt wurde. Tatsächlich wird dieses Prinzip verwendet, um bei batteriebetriebenen Geräten Energie zu sparen. Die Leistung für eine Sekunde bei hohen Frequenzen ist jedoch zehnmal so hoch wie die Leistung für eine Sekunde bei niedrigen Frequenzen. Deshalb wird der Chip bei höheren Frequenzen heiß und benötigt zehnmal so viel Leistung, um ihn anzutreiben.

— Tcrosley

Das war genau mein Punkt. Der pro Zeit verbrauchte Strom wird erhöht und folglich erwärmt sich das Gerät, wenn diese Energie verbraucht wird. Ich habe lediglich angegeben, dass der Gesamtstromverbrauch im Vergleich zu ebenem Gelände (dh die auf beiden Geräten durchgeführte äquivalente Berechnung) genau gleich sein wird. Das Gerät mit höherer Frequenz wird sich stärker erwärmen, da die Wärme weniger Zeit hat, sich abzuleiten als bei dem zuletzt genannten Gerät mit langsamerem Betrieb. Kurz gesagt, es geht einfach darum, dass beide Geräte über unterschiedliche Zeitintervalle genau die gleiche Energie verbrauchen.

— Sherrellbc

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Nun, es geht nur um logische Pegelübergänge.

Wenn sich ein einzelnes Bit eines Ausgangs ändert ... muss der elektrische Wert von hoch nach niedrig oder von niedrig nach hoch schwanken. Hierdurch wird die Stromversorgung unterbrochen oder ein Teil der Stromversorgung wird auf die Grundplatte zurückgespeist. Es entsteht auch ein wenig Abwärme aufgrund von Ineffizienzen.

Wenn Sie die Taktrate erhöhen, erhöhen Sie die Anzahl dieser Übergänge pro Zeiteinheit. Daher verbrauchen Sie mehr Strom, um diese Logikpegelübergänge zu speisen.

Erhöhte Spannungsanforderungen sind etwas anders. Die Zeit, die ein Signal zum Übergang von niedrig nach hoch benötigt, wird als Anstiegszeit bezeichnet. Um bei einer bestimmten Frequenz sicher zu arbeiten, muss die Logik diesen Übergang konsistent ausführen können, bevor der nächste Takt den neuen Wert abtastet. Ab einem bestimmten Punkt kann die Logik die Anstiegszeitanforderungen einer bestimmten Frequenz nicht mehr erfüllen. Hier hilft das Erhöhen der Spannung, da es die Anstiegszeit verkürzt.

Hitze ist ziemlich einfach. Der Chip ist für eine bestimmte Wärmemenge ausgelegt, die durch eine bestimmte Taktrate erzeugt wird. Erhöhen Sie die Anzahl der Übergänge, indem Sie die Taktrate erhöhen, und Sie erhalten mehr Abwärme. Beim Übertakten können Sie die Fähigkeit des Kühlsystems, diese Wärme abzuführen, leicht übertreffen.

— Darron
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Stellen Sie sich eine grundlegende RC-Schaltung vor, bei der R und C parallel sind. Unser Ziel ist es, einen Takt am Ausgang dieser Schaltung zu haben - eine 0-5 V 1 kHz Rechteckwelle. Wenn wir also wollen, dass der Takt hoch ist, schalten wir unsere Spannungsquelle ein und sie lädt den Kondensator auf, bis der Ausgang 5 V hat, und wenn wir 0 V wollen, schalten wir ihn aus und lassen ihn entladen. Die Lade- / Entladezeit wird durch die RC-Konstante der Schaltung bestimmt. Es gibt ein Problem - die Schaltung lädt sich nicht schnell genug für einen 1-kHz-Takt auf. Was mache ich?

Wir können die RC-Konstante der Schaltung nicht ändern - sie ist behoben. Also müssen wir den Kondensator irgendwie schneller aufladen, haben aber immer noch die gleiche Ladespannung. Dazu benötigen wir eine aktive Schaltung, die die Ausgangsspannung der RC-Schaltung überwacht und den in den Kondensator fließenden Strom variiert, um ihn schneller aufzuladen. Mehr Strom bedeutet mehr Leistung.

Wenn Sie einen schnelleren Takt wünschen, müssen Sie den Kondensator schneller aufladen. Sie laden einen Kondensator auf, indem Sie Strom hineinschieben. Strom * Spannung = Leistung. Du brauchst mehr Kraft!

Alles in einem digitalen System ist an die Uhr gebunden und alles hat Kapazität. Wenn Sie 100 TTL-Chips auf einer Uhr haben, muss dieser viel Strom treiben, um alle aufzuladen, und dann viel Strom ziehen, um sie nach unten zu ziehen. Der Hauptgrund, warum das Ohmsche Gesetz nicht gilt, ist, dass es sich um aktive und nicht passive Geräte handelt. Sie verrichten elektrische Arbeit, um die Uhr so nah wie möglich an eine perfekte Rechteckwelle heranzuführen.

Wenn Sie einen Mikrocontroller übertakten, wird er heiß

Ja - ein schnellerer Wechsel bedeutet, dass mehr Strom fließt und die Leistung Spannung * Strom ist. Selbst wenn die Spannung gleich bleibt, steigt der Stromverbrauch, wodurch mehr Verlustleistung und mehr Wärme verbraucht wird.

Wenn Sie einen Mikrocontroller übertakten, benötigt er mehr Spannung

Teilweise wahr - es braucht mehr Strom, nicht unbedingt mehr Spannung. Der Mikrocontroller wandelt die zusätzliche Spannung in gewisser Weise in mehr Strom um, um seine Anforderungen zu erfüllen.

Soweit ich weiß, hat die Frequenz des Wechselstroms nichts mit seiner Spannung oder Leistung zu tun, und eine Uhr ist nur eine Superposition eines Gleichstroms und eines (quadratischen) Wechselstroms. Die Frequenz beeinflusst den Gleichstrom nicht.

Nur für eine rein ohmsche Last. Es gibt eine Menge Tricks mit Wechselstrom.

Gibt es eine Gleichung in Bezug auf Taktfrequenz und Spannung oder Taktfrequenz und Leistung?

Wahrscheinlich nicht konsistent, aber es hängt mit den einfachen Gleichungen Q = CV, V = I * R, P = I * V zusammen

Denken Sie daran: Höhere Frequenz => schnellere Anstiegszeit => muss Kondensatoren schneller auffüllen => mehr Ladung => mehr Strom => mehr Leistung .

— AngryEE
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Ich denke, es ist genauer zu sagen, dass Sie sie häufiger füllen und leeren, und nicht, dass Sie es schneller tun. Erst wenn Sie sich ihrer Frequenz nähern, erhöhen Sie die Spannung.

— Kortuk

Ich glaube, Sie wissen, was Sie sagen, aber ich wollte nur klarstellen, wie Sie es verglichen haben.

— Kortuk

Bei höheren Frequenzen MÜSSEN Sie es schneller machen - Sie können sich keine langsame Rampe leisten, da sich Ihre Rechteckwelle in eine Dreieckwelle verwandeln kann, wenn sie zu langsam ist.

— Häufiger machen

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Leistung = Schaltfaktor * Kapazität * (VDD ^ 2) * Frequenz.

Da der schnelle Takt einen höheren Schaltfaktor und auch eine höhere Frequenz hat, ist der dynamische Stromverbrauch höher.

— Shankhadeep Mukerji
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