¿Se requiere un voltaje específico para una frecuencia específica (en procesadores)?

Esto no es realmente complicado, sino complejo. En términos generales, la velocidad (frecuencia de funcionamiento) de un procesador depende de la velocidad de conmutación de las puertas lógicas. La velocidad de conmutación, a su vez, depende de la fuerza de conducción de los pares de transistores, que deben impulsar las redes conectadas. Las redes tienen cierta capacidad, por lo que con el riel de voltaje más alto, el umbral de voltaje (conmutación) se alcanza más rápido (ya que los umbrales de los transistores se fijan en un proceso de fabricación particular), por lo que el retardo de la puerta es más pequeño y las tuberías pueden correr más rápido.

Sin embargo, con un voltaje de conmutación más alto, la compuerta se disiparía más (como una función de V ^^ 2), por lo que la matriz puede sobrecalentarse, lo que tiene un efecto opuesto, disminuye la velocidad de conmutación y también puede destruir la unidad lógica. , digamos por aumentar drásticamente la tasa de electromigración. Esto impone un límite superior en la relación voltaje-velocidad.

En la idea de "escalado" dinámico, algunos bloques de CPU (como caché / controlador de memoria) se pueden configurar al vuelo para que se ejecuten más rápido, lo que necesita un mayor voltaje. Entonces, la idea es que cada bloque lógico importante tenga una fuente de alimentación LDO interna y una unidad de control de reloj variable. Si existe una demanda para una ejecución más rápida de esta unidad, un procesador auxiliar llamado "PMU", Unidad de administración de energía, aumentaría el voltaje correspondiente y luego aumentaría su reloj en funcionamiento. Cuando la demanda disminuye, la PMU baja el reloj primero, luego reduce el voltaje. Y el microcódigo PMU también controla la temperatura de los bloques.

En resumen, para cada nivel de voltaje razonable hay una cierta velocidad de reloj máxima cuando la lógica puede operar sin errores de tiempo. La frecuencia de reloj más baja generalmente está bien, pero se puede optimizar el bloque para funcionar a un voltaje más bajo, lo que tiene ventajas de ahorro de energía (como menos fugas). En el extremo inferior, si el voltaje se establece demasiado bajo, la frecuencia de operación puede ser cero, por lo que la lógica solo puede mantener los estados de flip-flop, pero no puede cambiar.

  

¿Se requiere un voltaje específico para una frecuencia específica (en procesadores)?

Como se le preguntó, la respuesta es no. No existe una ley general o un mecanismo que dicte que necesita voltaje V para usar la frecuencia F.

  

Leí en un documento sobre la latencia en el escalamiento dinámico de frecuencia y voltaje, que el voltaje tiene que "soportar" la frecuencia. Según este documento, si la frecuencia es demasiado alta para el voltaje, se genera un "estado peligroso" (me encanta lo específico que son).

Ahora este es un asunto diferente. Para cualquier procesador específico, o tecnología, la velocidad a la que las puertas, transistores, dentro del dispositivo pueden cambiar de un nivel lógico bajo a un nivel lógico alto, o viceversa, tiene un máximo finito. El tiempo tomado se conoce como el tiempo de subida y el tiempo de caída y es independiente de la frecuencia de la señal.

Como tal, puede ver que a medida que aumenta la frecuencia, los puntos altos y bajos se reducen en anchura en relación con las transiciones. Si aumenta demasiado la frecuencia, NUNCA se alcanzan los niveles alto y bajo y el dispositivo dejará de funcionar.

Además, al cambiar, se consume una cantidad considerable de energía durante esas transiciones en comparación con muy poca energía para mantener el nivel. Entonces, nuevamente, a medida que la frecuencia se acerca a los tiempos de subida y caída, la potencia consumida y el calor generado en el dispositivo aumentan y pueden hacer que el dispositivo se derrita.

La reducción del nivel de voltaje ayuda aquí. Al observar el pulso anterior, puede ver que al reducir a la mitad el voltaje, los tiempos de aumento y caída también se reducen a la mitad. Eso le da la posibilidad de aumentar la velocidad de reloj más de lo que podría con el voltaje original.

Sin embargo: También hay un costo en reducir la tensión de funcionamiento. Cuando reduce el voltaje, también termina reduciendo la relación señal / ruido. Es decir, y como ejemplo extremo, a una CPU de 5 V puede no importarle 1 V de ruido, pero una CPU de 1,8 V definitivamente la odiará. Como tal, hay una compensación aquí.

También existen dispositivos híbridos. Muchos procesadores modernos realmente usan un voltaje interno que es mucho menor que el voltaje aplicado para adaptarse a una conmutación más rápida mientras se traduce a nivel a los pines externos.