Come viene scelta la frequenza?

Non sono uno specialista in elettronica. Sono solo un programmatore. Faccio questa domanda solo per divertimento.

La mia domanda: come viene scelta la frequenza per la progettazione di un circuito digitale?

La frequenza scelta è "preventiva" prima di eseguire la progettazione effettiva, "come ultima scelta" dopo che il circuito è già stato progettato, o "nel mezzo" regolandolo più volte durante la progettazione?

E se si scopre che parti diverse di un grande circuito richiedono frequenze ottimali diverse? Non è una ragione per riprogettare alcune parti del circuito?

Potresti descrivere le fasi della scelta della frequenza durante la progettazione?

Come è potuto accadere che molte delle CPU della serie "Core" avessero una frequenza inferiore rispetto al Pentium-4 con una velocità davvero maggiore?

Ho anche sentito che una minore frequenza porta a un minor consumo di energia. Ma la CPU Core non ha una frequenza minore ma non ha un numero minore di gate logici che cambia il loro stato al secondo? Il numero di porte che cambiano il loro stato non è la frequenza il fattore che definisce il consumo di energia?

I. La maggior parte del chip utilizza frequenze diverse per parti diverse del chip. Oggi anche la maggior parte dei mikrocontroller da 0,5 $ di base hanno uno schema di clock abbastanza complicato (almeno merita un capitolo separato nella scheda tecnica). Quindi la frequenza di clock verrà scelta su base blocco per blocco.

II. In quale fase della progettazione viene scelta la frequenza:

a) Direi che il più delle volte è nella fase iniziale. Si otterrebbero requisiti (esempio: decodificare video HD). Sulla base di ciò si sceglierebbe l'architettura tenendo conto dei compromessi di potenza / tecnologia / costo (area). Uno dei risultati della decisione sull'architettura è la frequenza di clock.

b) Ma a volte la decisione iniziale è subottimale / errata. Quindi sono in corso modifiche. Tuttavia, ciò può essere costoso, in quanto parti diverse del chip sono progettate in parallelo. La modifica di un orologio può innescare la riprogettazione di un altro blocco (a causa dell'interfaccia e della stessa sorgente di clock). Direi che per questo motivo è evitato. Naturalmente per alcuni blocchi è più facile cambiare la frequenza di clock rispetto ad altri, quindi "il tuo millage può variare".

c) Nell'ultima fase del luogo e del percorso (questa è una delle ultime fasi prima di inviare il chip alla fabbrica) a volte si possono avere problemi a chiudere sul budget di tempismo / potenza (es. far funzionare la progettazione con frequenza / potenza target) quindi la decisione è fatto per abbassare la frequenza di clock. Questo è sicuramente evitato in quanto ciò significa non soddisfare alcune delle specifiche di marketing. Ma a volte è più saggio essere più veloci sul mercato, quindi fare una riprogettazione che in questa fase sarà davvero costosa e richiede tempo.

Ma c'è di più:

d) Alcune volte la decisione sulla frequenza di clock viene presa dopo la fabbricazione (se in precedenza sono state stabilite determinate disposizioni nel progetto). A causa della variabilità della produzione, alcuni chip risultano migliori di altri. Più di uno può eseguire il binning: ordina i chip in base alla frequenza massima che possono funzionare in modo affidabile e venderli più velocemente al premio. Direi che questo è usato principalmente dai venditori di processori per PC.

e) A volte i chip pronti sono sotto clock nell'attrezzatura finale per risparmiare energia (popolare negli Stati Uniti) se la potenza di elaborazione richiesta è inferiore al massimo consentito dal chip.

f) In alcuni modelli moderni l'orologio può essere regolato in modo dinamico. Quindi l'orologio viene modificato nel campo in base al carico per risparmiare energia.

III. Quindi, come viene scelta la frequenza e perché a volte la progettazione che lavora con un clock inferiore avrà una maggiore capacità di elaborazione:

Oh ragazzo ci sono così tante variabili, quindi questa è disciplina ingegneristica su se stessa. Hai preso in considerazione requisiti di marketing, tecnologia, costi, EMI, alimentazione, standard supportati, requisiti di I / O ecc ecc ...

Ma fondamentalmente si può sminuire questo per seguire - al fine di ottenere determinate prestazioni si può avere un clock più veloce (fare cose in serie una dopo l'altra) o fare cose in parallelo a un clock inferiore a costo di usare più transistor. A causa di alcuni fattori, principalmente la latenza di stallo / memoria della pipeline, a volte è meglio usare più transistor e un clock più veloce.

Nell'arena incorporata, spesso viene scelta una frequenza specifica a causa di vincoli con le periferiche del microcontrollore. Ad esempio, un cristallo da 1,8432 MHz (o multiplo di questa frequenza come 18,432 MHz) potrebbe essere utilizzato perché questa frequenza di base divisa per 16 risulta in una velocità di trasmissione di 115.200 baud per un UART. 32768 Hz viene spesso utilizzato per applicazioni di microcontrollori a bassa potenza perché è facilmente suddiviso in 1 Hz per il mantenimento del tempo.

Ecco un elenco di varie frequenze di cristallo e il motivo per cui esistono. Quelli elencati "UART clock" sono spesso scelti per i microcontrollori per il motivo indicato in precedenza; quello specifico scelto dipende dai circuiti del BRG (generatore di baud rate) e dai baud rate desiderati.

In realtà, la potenza dissipata da un circuito CMOS è una somma del consumo statico (causato da correnti di dispersione) e del consumo dinamico (consumato solo quando i transistor cambiano lo stato logico). Quest'ultima è una funzione della frequenza di commutazione.

Ecco un'eccellente nota applicativa di TI che la descrive in modo più dettagliato: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Detto questo, di solito è l'idea migliore per selezionare una frequenza di clock inferiore. Tuttavia, a volte ha più senso utilizzare una frequenza di clock più elevata, ad esempio il gestore di interrupt può terminare il suo compito più velocemente e passare la CPU in modalità di risparmio energetico tra gli interrupt.

Come accennato in precedenza, le persone effettuano scambi tra velocità e potenza.

Alla fine del mercato ad alte prestazioni è più complesso - nel caso di Intel ci sono problemi concorrenti - quanto velocemente posso far andare il silicio? dipende - per eseguire un'istruzione sono necessari diversi clock - Come esempio (molto) semplice potrei essere in grado di costruire una pipeline di 4 clock / istruzioni che clock a 1 GHz e una pipeline di 6 clock / istruzione che clock a 1,25 GHz mi ritirerò comunque 1 istruzione su ogni orologio e il 6 orologio / pipe istruzioni saranno più veloci

Nel mondo reale, sebbene accadano cose come le bolle della pipeline, più fasi della pipeline si hanno, più orologi si sprecano quando si deve riempire la pipeline - la pipa a 4 clock si riempirà più velocemente della pipa a 6 clock e in media (su un grande mazzo di benchmark) il 6 clock può impiegare 2 clock per ritirare ogni istruzione rispetto agli 1.5 clock per il design a 4 pipe - il design a 4 stage eseguirà il 6 stage (1 gHz / 1,5> 1,25 GHz / 2).

Naturalmente per i ragazzi del marketing è difficile vendere cose del genere: le persone sono così abituate a "più GHz significa più veloce"

Un'altra considerazione è EMC / EMI - compatibilità elettromagnetica / interferenza elettromagnetica.

Ad esempio, i segnali digitali ad alta velocità possono creare radiazioni indesiderate di radiofrequenza (da onde lunghe a microonde) che possono essere fonte di interferenza per l'uso di RF in licenza. Ciò include la radio AM (MW), la trasmissione televisiva, i telefoni cellulari, i ricevitori GPS e altri circuiti elettronici.

Infatti ad alte velocità, tracce lunghe (di rame) su un circuito stampato (PCB) possono fungere da antenne, sia per la trasmissione che per la ricezione. Ad esempio, un circuito mal organizzato potrebbe facilmente ricevere abbastanza interferenza se un telefono cellulare si trova troppo vicino al circuito per un crash del sistema.

I satelliti devono anche considerare la radiazione ionizzante (cioè le particelle gamma), una soluzione richiede l'uso di circuiti integrati induriti per radiazione che possono funzionare solo a velocità limitate a causa del processo di fabbricazione.

Per questo motivo i prodotti commerciali devono essere sottoposti a test EMC / EMI prima di poter essere venduti al mercato generale.