Как выбирается частота?

Я не специалист по электронике. Я просто программист. Я задаю этот вопрос просто для удовольствия.

Мой вопрос: как выбирается частота для конструкции цифровой схемы?

Выбирается ли частота «заранее» перед выполнением фактического проектирования, «как последний выбор» после того, как схема уже спроектирована, или «посередине» настраивает ее несколько раз во время проектирования?

Что если окажется, что разные части большой цепи требуют разных оптимальных частот? Разве это не повод для редизайна некоторых частей схемы?

Не могли бы вы описать этапы выбора частоты при проектировании?

Как получилось, что многие из процессоров серии «Core» имели меньшую частоту, чем Pentium-4, имея действительно большую скорость?

Я также слышал, что меньшая частота приводит к меньшему энергопотреблению. Но разве процессор Core имеет меньшую частоту, но, тем не менее, не меньше ли количество логических элементов, меняющих свое состояние в секунду? Разве количество вентилей, изменяющих свое состояние, а не частоту, не является фактором, который определяет энергопотребление?

I. Чаще всего чип будет использовать разные частоты для разных частей чипа. В наши дни даже самые простые 0,5 $ микроконтроллеры имеют довольно сложную схему синхронизации (по крайней мере, заслуживающую отдельную главу в таблице данных). Таким образом, тактовая частота будет выбираться для каждого блока по основаниям блока.

II. На каком этапе проектирования выбирается частота:

а) Я бы сказал, что большую часть времени это на ранней стадии. Можно было бы получить требования (пример: декодировать HD-видео). Исходя из этого, можно было бы выбрать архитектуру с учетом компромиссов между мощностью, технологией и стоимостью. Одним из результатов архитектурного решения является тактовая частота.

б) Но иногда раннее решение оказывается неоптимальным / неправильным. Так что изменения делаются. Однако это может быть дорогостоящим, поскольку обычно разные части чипа разрабатываются параллельно. Изменение одного тактового генератора может вызвать изменение дизайна другого блока (из-за интерфейса и самого источника тактового сигнала). Я бы сказал, что по этой причине этого избегают. Конечно, для одного блока проще изменить тактовую частоту, чем для другого, так что «ваш расход может варьироваться».

c) На последнем этапе места и маршрута (это один из последних этапов перед отправкой микросхемы на завод) иногда возникают проблемы с закрытием бюджета времени / мощности (т. е. выполнение проектных работ на целевой частоте / мощности), поэтому решение принимается сделано для понижения тактовой частоты. Этого определенно избегают, поскольку это означает, что он не соответствует некоторым маркетинговым спецификациям. Но иногда разумнее быть быстрее на рынке, чем делать редизайн, который на этом этапе будет действительно дорогостоящим и трудоемким.

Но есть еще:

d) Несколько раз решение о тактовой частоте принимается после изготовления (если определенные условия в проекте сделаны заранее). Из-за изменчивости производства некоторые чипы получаются лучше, чем другие. Чем можно выполнить биннинг - сортируйте чипы в зависимости от того, с какой максимальной частотой они могут работать надежно, и продавайте их быстрее с премией. Я бы сказал, что в основном это используют производители процессоров для ПК.

e) Иногда готовые микросхемы недостаточно синхронизированы в конечном оборудовании для экономии энергии (популярно в ОК), если требуемая вычислительная мощность ниже максимально допустимой для чипа.

е) В каком-то современном дизайне часы можно настраивать динамически. Затем часы меняются в поле в зависимости от нагрузки для экономии энергии.

III. Таким образом, то, как частота выбрана и почему проектирование работает на более низкой тактовой частоте, будет иметь большую вычислительную мощность:

Ох, мальчик, так много переменных, так что это инженерная дисциплина сама по себе. Вы учитываете маркетинговые требования, технологию, стоимость, EMI, мощность, поддерживаемый стандарт, требования к IO и т. Д. И т. Д.

Но в основном можно свести это к следующему: для достижения заданной производительности можно иметь более быстрые тактовые импульсы (делать последовательности последовательно один за другим) или параллельные параллельные операции с меньшими тактовыми частотами за счет использования большего количества транзисторов. Из-за некоторых факторов - главным образом задержки конвейера / памяти, иногда лучше использовать больше транзистора, чем более быстрые часы.

Во встроенной области часто конкретная частота выбирается из-за ограничений с периферийными устройствами микроконтроллера. Например, можно использовать кристалл 1,8432 МГц (или кратный этой частоте, например 18,432 МГц), поскольку эта базовая частота, деленная на 16, приводит к скорости 115 200 бод для UART. 32768 Гц часто используется для микроконтроллеров с низким энергопотреблением, потому что его легко разделить до 1 Гц для сохранения времени.

Вот список различных частот кристаллов и причины их существования. Перечисленные «часы UART» часто выбираются для микроконтроллеров по причине, указанной ранее; выбор конкретного зависит от схемы BRG (генератор скорости передачи) и желаемой скорости передачи данных.

Фактически, мощность, рассеиваемая схемой CMOS, представляет собой сумму статического энергопотребления (вызванного токами утечки) и динамического энергопотребления (потребляемого только тогда, когда транзисторы меняют логическое состояние). Последнее является функцией частоты переключения.

Вот отличная заметка по применению TI, которая описывает ее более подробно: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Сказал, что обычно лучше выбрать более низкую тактовую частоту. Однако иногда имеет смысл использовать более высокую тактовую частоту, чтобы, например, обработчик прерываний мог быстрее завершить свою задачу и переключать ЦП в режим энергосбережения между прерываниями.

Как уже упоминалось выше, люди делают компромисс между скоростью и силой.

В высокопроизводительном сегменте рынка все сложнее - в случае с Intel возникают конкурирующие проблемы - как быстро я могу заставить кремний работать? зависит - для выполнения инструкции требуется несколько тактов - В качестве (очень) простого примера я мог бы построить конвейер с 4 тактами / инструкциями с тактовой частотой 1 ГГц и конвейер с 6 тактами / инструкцией с тактовой частотой 1,25 ГГц. 1 инструкция на каждые часы и канал 6 часов / инструкция будет быстрее

В реальном мире, хотя возникают такие вещи, как пузырьки в конвейере, чем больше у вас стадий конвейера, тем больше часов вы тратите, когда вам нужно заполнить конвейер - 4-часовой канал будет заполняться быстрее, чем 6-часовой канал, и в среднем (по большой связке) тестов) 6-тактовый канал может потребовать 2 такта для вывода из строя каждой инструкции по сравнению с 1,5 тактами для 4-ступенчатой ​​схемы - 4-ступенчатая конструкция будет выполнять 6-ступенчатую (1 ГГц / 1,5> 1,25 ГГц / 2).

Конечно, маркетологам сложно продавать такие вещи - люди привыкли, что «больше ГГц означает быстрее»

Еще одно соображение - ЭМС / EMI - электромагнитная совместимость / электромагнитные помехи.

Например, высокоскоростные цифровые сигналы могут создавать непреднамеренное радиочастотное (радиочастотное - от длинноволнового до микроволнового) излучение, которое может стать источником помех для лицензированного использования радиочастот. Это включает в себя трансляцию AM (MW) радио, телевизионную трансляцию, сотовые телефоны, приемники GPS и другие электронные схемы.

Фактически на высоких скоростях длинные (медные) дорожки на печатной плате (PCB) могут действовать как антенны как для передачи, так и для приема. Например, плохо спроектированная схема может легко получить достаточные помехи, если мобильный телефон расположен слишком близко к плате для сбоя системы.

Спутники также должны учитывать ионизирующее излучение (то есть гамма-частицы), одно из решений требует использования радиационно-стойких ИС, которые могут работать только на ограниченных скоростях из-за производственного процесса.

Из-за этого коммерческие продукты должны пройти тестирование на электромагнитную совместимость / электромагнитную совместимость, прежде чем их можно будет продавать на общем рынке.