Comment la fréquence est-elle choisie?

Je ne suis pas spécialiste de l'électronique. Je suis juste programmeur. Je pose cette question juste pour le plaisir.

Ma question: comment choisir la fréquence de conception d'un circuit numérique?

La fréquence est-elle choisie "à l'avance" avant de réaliser la conception réelle, "comme dernier choix" après que le circuit est déjà conçu, ou "au milieu" en l'ajustant plusieurs fois pendant la conception?

Et s'il s'avère que différentes parties d'un grand circuit nécessitent des fréquences optimales différentes? N'est-ce pas une raison pour repenser certaines parties du circuit?

Pourriez-vous décrire les étapes du choix de la fréquence lors de la conception?

Comment est-il arrivé que de nombreux processeurs de la série "Core" aient une fréquence inférieure à celle du Pentium-4, ayant effectivement une vitesse plus élevée?

J'ai également entendu dire qu'une fréquence moindre entraîne une consommation d'énergie moindre. Mais le Core CPU n'a-t-il pas une fréquence moindre et n'en a-t-il pas moins un nombre moindre de portes logiques changeant leur état par seconde? Le nombre de portes qui changent d'état n'est-il pas le facteur qui définit la consommation électrique?

I. La plupart du temps, la puce utilise différentes fréquences pour différentes parties de la puce. De nos jours, même les mikrocontrôleurs les plus basiques à 0,5 $ ont un schéma de synchronisation assez compliqué (méritant au moins un chapitre séparé dans la fiche technique). La fréquence d'horloge sera donc choisie bloc par bloc.

II. À quel stade de la fréquence de conception est choisie:

a) Je dirais que la plupart du temps, c'est au début. On aurait des exigences (exemple: devoir décoder la vidéo HD). Sur cette base, on choisirait l'architecture en tenant compte des compromis puissance / technologie / coût (surface). L'une des sorties de la décision d'architecture est la fréquence d'horloge.

b) Mais parfois, la décision précoce est sous-optimale / erronée. Des modifications sont donc en cours. Cependant, cela peut être coûteux car généralement différentes parties de la puce sont conçues en parallèle. Changer une horloge peut déclencher une nouvelle conception d'un autre bloc (en raison de l'interface et de la source d'horloge elle-même). Je dirais que pour cette raison, cela est évité. Bien sûr, il est plus facile pour certains blocs de changer la fréquence d'horloge que pour d'autres afin que "votre millage puisse varier".

c) À la dernière étape du lieu et de l'itinéraire (c'est l'une des dernières étapes avant d'envoyer la puce à l'usine), il peut parfois être difficile de fermer le calendrier / le budget de puissance (c.-à-d. faire fonctionner la conception à la fréquence / puissance cible), donc la décision est fait pour abaisser la fréquence d'horloge. Ceci est définitivement évité car cela signifie ne pas répondre à certaines des spécifications marketing. Mais parfois, il est plus sage d'être plus rapide sur le marché que de procéder à une refonte qui, à ce stade, sera très coûteuse et prendra beaucoup de temps.

Mais il y a plus:

d) Parfois, la décision de fréquence d'horloge est prise après la fabrication (si certaines dispositions de la conception sont prises à l'avance). En raison de la variabilité de la fabrication, certaines puces se révèlent meilleures que d'autres. Plus d'un peut effectuer le binning - trier les puces en fonction de la fréquence maximale, celles-ci peuvent fonctionner de manière fiable et les vendre plus rapidement à prime. Je dirais que c'est principalement utilisé par les vendeurs de processeurs PC.

e) Parfois, les puces prêtes sont sous-cadencées dans l'équipement final pour économiser de l'énergie (populaire en uC) si la puissance de traitement requise est inférieure au maximum autorisé par la puce.

f) Dans certains modèles modernes, l'horloge peut être réglée dynamiquement. L'horloge est ensuite modifiée sur le terrain en fonction de la charge afin d'économiser de l'énergie.

III. Ainsi, comment la fréquence est choisie et pourquoi il arrive parfois que la conception fonctionne à une horloge inférieure aura une plus grande capacité de traitement:

Oh boy il y a tellement de variables c'est donc la discipline d'ingénierie en soi. Vous devez prendre en compte les exigences marketing, la technologie, le coût, l'EMI, la puissance, la norme prise en charge, les exigences IO, etc., etc.

Mais fondamentalement, on peut réduire cela à la suivante - afin d'obtenir des performances données, on peut avoir une horloge plus rapide (faire les choses en série les unes après les autres) ou faire les choses en parallèle à une horloge plus basse au prix d'utiliser plus de transistors. En raison de certains facteurs - principalement le blocage du pipeline / la latence de la mémoire, il est parfois préférable d'utiliser plus de transistors que d'horloge plus rapide.

Dans l'arène intégrée, une fréquence spécifique est souvent choisie en raison de contraintes avec les périphériques du microcontrôleur. Par exemple, un cristal 1,8432 MHz (ou un multiple de cette fréquence tel que 18,432 MHz) peut être utilisé car cette fréquence de base divisée par 16 entraîne un débit de 115 200 bauds pour un UART. 32768 Hz est souvent utilisé pour les applications de microcontrôleurs basse consommation car il est facilement divisé en 1 Hz pour le chronométrage.

Voici une liste des différentes fréquences cristallines et la raison pour laquelle elles existent. Celles listées «horloge UART» sont souvent choisies pour les microcontrôleurs pour la raison donnée précédemment; le choix spécifique dépend du circuit du BRG (générateur de débit en bauds) et du ou des débits en bauds souhaités.

En fait, la puissance dissipée par un circuit CMOS est une somme de la consommation d'électricité statique (causée par des courants de fuite) et de la consommation d'énergie dynamique (consommée uniquement lorsque les transistors changent l'état logique). Cette dernière est fonction de la fréquence de commutation.

Voici une excellente note d'application de TI qui la décrit plus en détail: http://focus.ti.com/lit/an/scaa035b/scaa035b.pdf

Cela dit, c'est généralement la meilleure idée de sélectionner une fréquence d'horloge inférieure. Cependant, il est parfois plus judicieux d'utiliser une fréquence d'horloge plus élevée, par exemple, le gestionnaire d'interruption peut terminer sa tâche plus rapidement et basculer le processeur en mode d'économie d'énergie entre les interruptions.

Comme mentionné ci-dessus, les gens font des compromis vitesse / puissance.

À l'extrémité haute performance du marché, c'est plus complexe - dans le cas d'Intel, il y a des problèmes concurrents - à quelle vitesse puis-je faire avancer le silicium? dépend - pour exécuter une instruction prend plusieurs horloges - Comme exemple (très) simple, je pourrais être en mesure de construire un pipeline de 4 horloges / instructions qui horloge à 1 GHz et un pipeline de 6 horloges / instructions qui horloge à 1,25 GHz, je vais encore prendre ma retraite 1 instruction sur chaque horloge et le tube 6 horloge / instruction sera plus rapide

Dans le monde réel, même si des choses comme des bulles de pipeline se produisent, plus vous avez d'étapes de pipeline, plus vous gaspillez d'horloges lorsque vous devez remplir le pipeline - le tuyau à 4 horloges se remplira plus rapidement que le tuyau à 6 horloges et en moyenne (sur un gros tas). des 6 repères), le tuyau à 6 horloges peut prendre 2 horloges pour retirer toutes les instructions par rapport aux 1,5 horloge pour la conception à 4 étapes - la conception à 4 étages exécutera plus que la première étape à 6 (1 GHz / 1,5> 1,25 GHz / 2).

Bien sûr, il est difficile pour les spécialistes du marketing de vendre des choses comme ça - les gens sont tellement habitués à "plus de GHz signifie plus rapidement"

Une autre considération est EMC / EMI - compatibilité électromagnétique / interférence électromagnétique.

Par exemple, les signaux numériques à haute vitesse peuvent créer un rayonnement RF (radiofréquence - des ondes longues aux micro-ondes) non intentionnel qui peut être une source d'interférence pour une utilisation RF sous licence. Cela comprend la radio AM (MW), la télévision, les téléphones cellulaires, les récepteurs GPS et autres circuits électroniques.

En fait, à des vitesses élevées, de longues traces (cuivre) sur une carte de circuit imprimé (PCB) peuvent agir comme des antennes, tant pour la transmission que pour la réception. Par exemple, un circuit mal disposé pourrait facilement recevoir suffisamment d'interférences si un téléphone portable est placé trop près de la carte de circuit imprimé pour faire planter un système.

Les satellites doivent également prendre en compte les rayonnements ionisants (c'est-à-dire les particules gamma), une solution nécessite l'utilisation de circuits intégrés durcis par rayonnement qui ne peuvent fonctionner qu'à des vitesses limitées en raison du processus de fabrication.

Pour cette raison, les produits commerciaux doivent subir des tests EMC / EMI avant d'être autorisés à être vendus sur le marché général.