なぜより速いクロックはより多くの電力を必要としますか？

マイクロコントローラーをオーバークロックすると、熱くなります。

マイクロコントローラをオーバークロックすると、より多くの電圧が必要になります。

抽象的には理にかなっています：より多くの計算をしているので、より多くのエネルギーが必要です（そして完璧ではなく、そのエネルギーの一部は熱として消散します）。

しかし、単なるオームの法則レベルの電気と磁気から、何が起こっているのでしょうか？

クロック周波数が電力消費または電圧と関係があるのはなぜですか？

私の知る限り、ACの周波数は電圧や電力とは関係がなく、クロックはDCと（正方形の）ACの単なる重ね合わせです。周波数はDCに影響しません。

クロック周波数と電圧またはクロック周波数と電力に関連する式はありますか？

高速発振器は低速発振器よりも多くの電圧または電力を必要としますか？

必要な電圧はクロック速度よりもはるかに大きい影響を受けますが、速度が速いほど一般的に高い電圧が必要になります。

消費電力が増加するのはなぜですか？

これは単純な回路よりもずっと厄介ですが、RC回路に似ていると考えることができます。

RC回路相当

DCでは、RC回路は電力を消費しません。無限の周波数では達成できませんが、理論的にはいつでも解決できますが、コンデンサは短絡として機能し、抵抗が残ります。これは、負荷が単純であることを意味します。周波数が低下すると、コンデンサは電力を蓄積および放電し、全体的に消費される電力が少なくなります。

マイクロコントローラーとは何ですか？

その内部は、CMOSと呼ばれる構成の多くのMOSFETで構成されています。

MOSFETのゲートの値を変更しようとすると、コンデンサを充電または放電するだけです。これは学生に説明するのが難しい概念です。トランジスタは多くのことを行いますが、私たちにとってはゲートから見たコンデンサのように見えます。つまり、モデルでは、CMOSには常に容量の負荷がかかります。

ウィキペディアには、私が参照するCMOSインバーターのイメージがあります。

CMOSインバーターにはQというラベルの付いた出力があります。マイクロコントローラー内では、出力が他のCMOS論理ゲートを駆動します。入力Aが高から低に変化したとき、Qの容量は下部のトランジスタを介して放電する必要があります。コンデンサを充電するたびに、電力が消費されます。これはウィキペディアで電源の切り替えと漏えいを確認できます。

電圧を上げなければならないのはなぜですか？

電圧が高くなると、静電容量をロジックのしきい値まで駆動しやすくなります。これは単純な答えのように思えますが、簡単です。

私が静電容量を駆動する方が簡単だと言うとき、私はそれがしきい値の間でより速く駆動されることを意味します。

供給電源が増加すると、MOSトランジスタの駆動能力も増加します（より大きなVgs）。これは、RCからの実際のRが減少することを意味し、それがゲートが高速である理由です。

消費電力に関しては、トランジスタのサイズが小さいため、ゲート容量を介して大きなリークが発生するため、マークはこれについて少し説明します。

電圧が高いと漏れ電流が大きくなります。最新のデスクトップなどのトランジスタ数の多いデバイスでは、CPUリーク電流が電力消費の大部分を占めています。プロセスのサイズが小さくなり、トランジスタ数が増加するにつれて、リーク電流はますます重要な電力使用統計になります。

一般に、CMOSゲートは状態を切り替えるときに電流のみを使用します。したがって、クロック速度が速いほど、ゲートが頻繁に切り替わるので、より多くの電流が切り替わり、より多くの電力が消費されます。

まあ、それはすべて論理レベルの遷移についてです。

出力の単一ビットが変化すると、電気値は高から低、または低から高に変化する必要があります。これにより、電源から電力が引き出されるか、一部の電力がグランドプレーンに戻されます。また、非効率性のためにわずかな廃熱も発生します。

クロックレートを上げると、単位時間あたりのこれらの遷移の数が増えるため、より多くの電力を使用してこれらのロジックレベルの遷移をフィードします。

増加する電圧要件は少し異なります。信号がローからハイに遷移するのにかかる時間は、立ち上がり時間と呼ばれます。特定の周波数で安全に動作するには、次のクロックが新しい値をサンプリングする前に、ロジックが一貫してこの遷移を行うことができる必要があります。特定の時点で、ロジックは特定の周波数の立ち上がり時間要件を満たすことができなくなります。これは、立ち上がり時間を短縮するため、電圧を上げるのに役立ちます。

熱はかなり簡単です。このチップは、特定のクロックレートで発生する一定量の熱を処理するように設計されています。クロックレートを上げることで遷移の数を増やすと、より多くの廃熱が発生します。オーバークロックすると、その熱を除去する冷却システムの能力を簡単に上回ることができます。

RとCが並列に接続されている基本的なRC回路を考えてください。私たちの目標は、この回路の出力にクロックを持たせることです-0-5V 1KHz方形波。したがって、クロックを高くしたい場合は電圧源をオンにし、出力が5Vになるまでコンデンサを充電し、0Vが必要な場合はオフにして放電させます。充電/放電時間は、回路のRC定数によって決まります。問題があります-回路は1KHzクロックに十分な速さで充電されません。私は何をしますか？

回路のRC定数を変更することはできません-固定されています。そのため、コンデンサをなんとかより速く充電する必要がありますが、それでも同じ充電電圧が必要です。これを行うには、RC回路の出力電圧を監視し、コンデンサに流れる電流を変化させてコンデンサをより速く充電するアクティブな回路が必要です。より多くの電流はより多くの電力を意味します。

より速いクロックが必要な場合は、コンデンサをより速く充電する必要があります。コンデンサに電流を流すことでコンデンサを充電します。電流*電圧=電力。もっとパワーが必要です！

デジタルシステムのすべてはクロックに結び付けられており、すべてに容量があります。1つのクロックに100個のTTLチップがある場合、それらすべてを充電するために大量の電流を駆動し、それらをプルダウンするために大量の電流を消費する必要があります。 オームの法則が成り立たない根本的な理由は、これらが受動的ではなく能動的デバイスだからです。 彼らは、クロックを可能な限り完全な方形波に近づけるように、電気的な仕事をしています。

マイクロコントローラーをオーバークロックすると熱くなる

はい-変化が速いと、より多くの電流が流れ、電力は電圧*電流になります。電圧が同じであっても、使用される電流が増加するため、電力消費が多くなり、熱が多くなります。

マイクロコントローラーをオーバークロックすると、より多くの電圧が必要になります

部分的に正しい-必ずしもより多くの電圧ではなく、より多くの電力が必要です。マイクロコントローラーは、何らかの方法で追加の電圧をより多くの電流に変換して、そのニーズを達成しています。

私の知る限り、ACの周波数は電圧や電力とは関係がなく、クロックはDCと（正方形の）ACの単なる重ね合わせです。周波数はDCに影響しません。

純粋な抵抗負荷の場合のみ。AC電源には多くの策略があります。

クロック周波数と電圧またはクロック周波数と電力に関連する式はありますか？

おそらく一貫したものではありませんが、単純な方程式Q = CV、V = I * R、P = I * Vに関連しています

覚えておいてください：周波数が高い=>立ち上がり時間が速い=>コンデンサをすばやく埋める必要がある=>充電量が多い=>電流が多い=> 電力が大きい。

電力=スイッチング係数*キャパシタンス*（VDD ^ 2）*周波数。

高速クロックはスイッチング係数が高く、周波数も高いため、動的消費電力が高くなります。