Mengapa jam yang lebih cepat membutuhkan lebih banyak daya?

30

Jika Anda melakukan overclock mikrokontroler, itu menjadi panas.

Jika Anda meng-overclock mikrokontroler, itu membutuhkan lebih banyak tegangan.

Dalam beberapa cara abstrak masuk akal: ia melakukan lebih banyak perhitungan, sehingga membutuhkan lebih banyak energi (dan menjadi kurang sempurna, sebagian dari energi itu menghilang sebagai panas).

Namun, dari tingkat hukum dan listrik Ohm yang sudah sangat tua, apa yang terjadi?

Mengapa frekuensi clock ada hubungannya dengan disipasi daya atau tegangan?

Sejauh yang saya tahu, frekuensi AC tidak ada hubungannya dengan voltase atau dayanya, dan jam hanyalah posisi super dari DC dan AC (persegi). Frekuensi tidak memengaruhi DC.

Apakah ada persamaan yang berkaitan dengan frekuensi dan tegangan clock atau frekuensi clock dan daya?

Maksud saya apakah osilator kecepatan tinggi membutuhkan lebih banyak tegangan atau daya daripada yang rendah?

frequency oscillator low-power Jack Schmidt
sumber
2
Terima kasih atas jawaban yang bagus. Satu hal penting yang saya lewatkan adalah CMOS (gaya Atmel 1MHz) sebenarnya tidak menggunakan banyak arus saat tidak melakukan apa-apa. TTL cenderung menggunakan arus setiap saat, dan itu lebih seperti yang saya bayangkan. Saya sangat suka jawaban pengisian kapasitor; ini memberikan alasan yang lebih jelas mengapa "perhitungan" harus membutuhkan energi. Saya berharap dapat menerima banyak jawaban.
Jack Schmidt

Jawaban:

38

Tegangan yang diperlukan dipengaruhi secara signifikan lebih dari kecepatan clock, tetapi Anda benar, untuk kecepatan yang lebih tinggi Anda akan memerlukan tegangan yang lebih tinggi secara umum.

Mengapa konsumsi daya meningkat?

Ini jauh lebih berantakan daripada sirkuit sederhana, tetapi Anda dapat menganggapnya mirip dengan sirkuit RC.

Sirkuit RC ekuivalen

Di DC, sirkuit RC tidak mengkonsumsi daya. Pada frekuensi tak terhingga, yang tidak dapat dicapai, tetapi Anda selalu dapat menyelesaikan ini secara teoritis, kapasitor bertindak sebagai pendek dan Anda dibiarkan dengan resistor. Ini artinya Anda memiliki muatan yang sederhana. Ketika frekuensi menurun, kapasitor menyimpan dan mengeluarkan daya yang menyebabkan jumlah daya yang lebih kecil hilang secara keseluruhan.

Apa itu mikrokontroler?

Di dalamnya terdiri dari banyak MOSFET dalam konfigurasi yang kita sebut CMOS .

Jika Anda mencoba mengubah nilai gerbang MOSFET, Anda hanya mengisi atau menggunakan kapasitor. Ini adalah konsep yang sulit saya jelaskan kepada siswa. Transistor melakukan banyak hal, tetapi bagi kami itu hanya terlihat seperti kapasitor dari gerbang. Ini berarti dalam model CMOS akan selalu memiliki muatan kapasitansi.

Wikipedia memiliki gambar inverter CMOS yang akan saya referensi.

Skema Inverter CMOS

Inverter CMOS memiliki keluaran berlabel Q. Di dalam mikrokontroler, keluaran Anda akan mengemudi gerbang logika CMOS lainnya. Ketika input A Anda berubah dari tinggi ke rendah, kapasitansi pada Q harus dikeluarkan melalui transistor di bagian bawah. Setiap kali Anda mengisi kapasitor, Anda melihat penggunaan daya. Anda dapat melihat ini di wikipedia di bawah sakelar daya dan kebocoran .

Mengapa tegangan harus naik?

Ketika Anda meningkatkan tegangan itu membuatnya lebih mudah untuk mendorong kapasitansi ke ambang logika Anda. Saya tahu ini sepertinya jawaban yang sederhana, tetapi sesederhana itu.

Ketika saya mengatakan lebih mudah untuk menggerakkan kapasitansi yang saya maksudkan itu akan didorong antara ambang lebih cepat, seperti yang dikatakan mazurnifikasi:

Dengan peningkatan kemampuan pasokan drive, transistor MOS juga meningkat (Vgs lebih besar). Itu berarti bahwa R aktual dari RC berkurang dan itulah sebabnya gerbang lebih cepat.

Sehubungan dengan konsumsi daya, karena seberapa kecil transistor ada kebocoran besar melalui kapasitansi gerbang, Mark punya sedikit untuk menambahkan tentang ini:

tegangan yang lebih tinggi menghasilkan arus bocor yang lebih tinggi. Dalam perangkat penghitung transistor tinggi seperti arus bocor CPU desktop modern dapat menjelaskan sebagian besar disipasi daya. karena ukuran proses semakin kecil dan jumlah transistor meningkat, arus bocor menjadi semakin banyak statistik penggunaan daya kritis.

Kortuk
sumber
3
hal-hal pasangan saya akan menambahkan: hasil tegangan lebih tinggi dalam arus bocor lebih tinggi. Dalam perangkat penghitung transistor tinggi seperti arus bocor CPU desktop modern dapat menjelaskan sebagian besar disipasi daya. karena ukuran proses semakin kecil dan jumlah transistor meningkat, arus bocor menjadi semakin banyak statistik penggunaan daya kritis.
Tandai
2
Kedua, tegangan yang lebih tinggi memungkinkan transistor untuk beralih lebih cepat karena bagaimana kapasitor mengisi daya. Kita tahu bahwa kapasitor akan mengisi hingga 63% dari tegangan input dalam 1 kali konstan, nah jika kita menaikkan tegangan input maka 63% dari tegangan itu jelas lebih tinggi juga berarti transistor akan memakan waktu lebih sedikit untuk mengisi ke tegangan ON untuk transistor. Jadi tegangan yang lebih tinggi tidak membuat pergantian lebih mudah, tetapi lebih cepat.
Tandai
Maksud saya lebih cepat ketika saya mengatakan lebih mudah. Biarkan saya memperbaiki itu dan menambahkan penawaran tambahan Anda.
Kortuk
2
Bagian tentang mengapa peningkatan tegangan mengurangi waktu switching tidak benar. Ambang gerbang CMOS akan berubah dengan tegangan suplai juga (dan dalam kisaran pasokan yang masuk akal akan lebih atau kurang sama dengan fraksi konstan suplai - misalnya 50%). Karena perubahan persentase tegangan tidak tergantung pada suplai (satu RC akan selalu ~ 63% terlepas dari suplai), ini bukan alasan mengapa suplai mengukur. Dengan peningkatan kemampuan pasokan drive, transistor MOS juga meningkat (Vgs lebih besar). Itu berarti bahwa R aktual dari RC berkurang dan itulah sebabnya gerbang lebih cepat.
mazurnifikasi
@mazurnification, sejujurnya saya tidak ingat mengapa, dan mengambil apa yang dikatakan seseorang yang mereka tahu. Saya pikir itu seseorang yang tahu lebih baik mereka akan menjatuhkannya. Penjelasan Anda masuk akal bagi saya dan saya telah mengeditnya.
Kortuk
17

Secara umum, gerbang CMOS hanya menggunakan arus saat mereka berganti status. Jadi semakin cepat kecepatan clock, semakin sering gerbang beralih, sehingga lebih banyak arus diaktifkan, dan lebih banyak daya dikonsumsi.

tcrosley
sumber
Ini tidak masuk akal jika Anda memikirkannya. Pertimbangkan perhitungan sewenang-wenang yang membutuhkan sekitar 10 siklus clock untuk menyelesaikannya. Jika frekuensi operasi Anda 10Hz, maka diperlukan satu detik untuk menyelesaikannya dan Anda telah menghabiskan energi yang dibutuhkan dalam proses tersebut. Namun, jika frekuensi clock Anda hanya 1Hz, itu akan memakan waktu 10 detik (10 kali lebih lama), tetapi pada setiap jam Anda hanya akan mengkonsumsi 1/10 jumlah konsumsi energi - energi secara langsung opsional untuk mengganti frekuensi. Oleh karena itu, konsumsi daya secara keseluruhan sama persis.
sherrellbc
Jadi sungguh, lebih banyak daya per waktu dikonsumsi pada frekuensi yang lebih tinggi, tetapi secara keseluruhan tidak ada jaring.
sherrellbc
@sherrellbc Untuk perhitungan yang satu itu, daya akan sama apakah dibentangkan lebih dari 10 detik pada frekuensi yang lebih rendah atau dieksekusi dalam satu detik pada frekuensi yang lebih tinggi. Bahkan prinsipal ini digunakan untuk menghemat daya pada perangkat yang dioperasikan dengan baterai. Tetapi daya untuk satu detik pada frekuensi tinggi adalah 10 kali daya dalam satu detik pada frekuensi rendah - itulah sebabnya chip menjadi panas pada frekuensi yang lebih tinggi, dan membutuhkan daya 10 kali lebih banyak untuk menggerakkannya.
tcrosley
Itulah tepatnya poin saya. Daya yang dikonsumsi per waktu meningkat dan akibatnya perangkat akan memanas saat energi ini dikeluarkan. Saya hanya menyatakan bahwa konsumsi daya keseluruhan bila dibandingkan di permukaan tanah (yaitu komputasi yang setara yang diselesaikan pada kedua perangkat) akan persis sama. Perangkat frekuensi yang lebih tinggi akan lebih panas karena panas memiliki waktu lebih sedikit untuk terlepas daripada di perangkat yang lebih lambat yang terakhir beroperasi. Singkatnya saya kira intinya adalah bahwa kedua perangkat akan mengkonsumsi energi yang persis sama hanya dalam interval waktu yang berbeda.
sherrellbc
11

Ya, ini semua tentang transisi level logika.

Ketika sedikit perubahan output ... nilai listrik harus berubah dari tinggi ke rendah, atau rendah ke tinggi. Ini menarik daya dari catu daya, atau membuang daya kembali ke bidang tanah. Ini juga menghasilkan sedikit limbah panas karena ketidakefisienan.

Jika Anda meningkatkan laju jam, Anda meningkatkan jumlah transisi ini per unit waktu, oleh karena itu Anda menggunakan lebih banyak daya untuk memberi makan transisi tingkat logika ini.

Peningkatan kebutuhan voltase sedikit berbeda. Waktu yang dibutuhkan sinyal untuk transisi dari rendah ke tinggi disebut waktu naik. Untuk beroperasi dengan aman pada frekuensi tertentu, logika harus dapat secara konsisten melakukan transisi ini sebelum jam berikutnya sampel nilai baru. Pada titik tertentu, logika tidak akan dapat memenuhi persyaratan waktu naik dari frekuensi tertentu. Di sinilah menaikkan tegangan akan membantu, karena mengurangi waktu naik.

Panas cukup sederhana. Chip ini dirancang untuk menangani sejumlah panas yang dihasilkan oleh laju jam tertentu. Tingkatkan jumlah transisi dengan meningkatkan laju jam, dan Anda akan mendapatkan lebih banyak limbah panas. Saat melakukan overclocking, Anda dapat dengan mudah melampaui kemampuan sistem pendingin untuk menghilangkan panas itu.

Darron
sumber
7

Pikirkan sirkuit RC dasar di mana R dan C secara paralel. Tujuan kami adalah memiliki clock pada output sirkuit ini - gelombang persegi 0-5V 1KHz. Jadi ketika kita ingin jam menjadi tinggi kita menyalakan sumber tegangan kita dan mengisi kapasitor sampai output di 5V, dan ketika kita ingin 0V kita mematikannya dan membiarkannya keluar. Waktu pengisian / pengosongan ditentukan oleh konstanta RC dari rangkaian. Ada masalah - sirkuit tidak mengisi cukup cepat untuk clock 1KHz. Apa yang saya lakukan?

Kami tidak dapat mengubah konstanta RC dari rangkaian - ini diperbaiki. Jadi kita harus mengisi kapasitor lebih cepat entah bagaimana, tetapi masih memiliki tegangan yang sama. Untuk melakukan ini kita memerlukan sirkuit aktif yang memonitor tegangan output dari sirkuit RC dan memvariasikan arus yang masuk ke kapasitor untuk mengisi daya lebih cepat. Lebih banyak arus berarti lebih banyak daya.

Bila Anda menginginkan jam yang lebih cepat, Anda harus mengisi kapasitor lebih cepat. Anda mengisi kapasitor dengan mendorong arus ke dalamnya. Arus * tegangan = daya. Anda membutuhkan lebih banyak kekuatan!

Segala sesuatu dalam sistem digital terikat dengan jam dan semuanya memiliki kapasitansi. Jika Anda memiliki 100 chip TTL pada satu jam, ia harus menggerakkan banyak arus untuk mengisi semuanya, kemudian menarik banyak arus untuk menariknya ke bawah. Alasan mendasar mengapa hukum ohm tidak berlaku adalah karena ini adalah perangkat aktif, bukan pasif. Mereka melakukan pekerjaan listrik untuk memaksa jam sedekat mungkin dengan gelombang persegi sempurna.

Jika Anda meng-overclock mikrokontroler, ia menjadi panas

Ya - perubahan yang lebih cepat berarti lebih banyak arus yang mengalir dan daya adalah tegangan * arus. Sekalipun voltase tetap sama, arus yang digunakan meningkat, sehingga lebih banyak disipasi daya, lebih banyak panas.

Jika Anda melakukan overclock mikrokontroler, ia membutuhkan lebih banyak tegangan

Sebagian benar - perlu lebih banyak daya, belum tentu lebih banyak tegangan. Mikrokontroler dalam beberapa cara mengubah tegangan ekstra menjadi lebih banyak arus untuk mencapai kebutuhannya.

Sejauh yang saya tahu, frekuensi AC tidak ada hubungannya dengan voltase atau dayanya, dan jam hanyalah posisi super dari DC dan AC (persegi). Frekuensi tidak memengaruhi DC.

Hanya untuk beban yang murni resistif. Ada banyak tipu daya yang terjadi dengan daya AC.

Apakah ada persamaan yang berkaitan dengan frekuensi dan tegangan clock atau frekuensi clock dan daya?

Mungkin bukan yang konsisten, tetapi ini terkait dengan persamaan sederhana Q = CV, V = I * R, P = I * V

Ingat saja: Frekuensi yang lebih tinggi => waktu naik yang lebih cepat => harus mengisi kapasitor lebih cepat => lebih banyak muatan => lebih banyak arus => lebih banyak daya .

AngryEE
sumber
Saya pikir lebih akurat untuk mengatakan Anda mengisi dan mengosongkannya lebih sering, tidak melihat Anda melakukannya lebih cepat. Hanya ketika Anda mendekati frekuensi mereka Anda meningkatkan tegangan.
Kortuk
Saya pikir Anda tahu apa yang Anda katakan, tetapi saya hanya ingin menjadi jelas dalam komentar tentang bagaimana Anda membandingkannya.
Kortuk
Pada frekuensi yang lebih tinggi Anda HARUS melakukannya lebih cepat - Anda tidak mampu membeli jalan lambat karena gelombang persegi Anda dapat berubah menjadi gelombang segitiga jika terlalu lambat. Melakukannya lebih sering juga menjadikannya lebih buruk tetapi itu adalah daya AC, dan itu membingungkan saya :)
AngryEE
1

Daya = faktor switching * Kapasitansi * (VDD ^ 2) * frekuensi.

Karena jam cepat memiliki faktor switching yang lebih tinggi, dan juga frekuensi yang lebih tinggi, sehingga konsumsi daya dinamis lebih tinggi.

Shankhadeep Mukerji
sumber