Stromverbrauch bei IC's

[Frans Fürst]

Hallochen!

Kann mir von euch jemand erzählen, was einen Prozessor dazu bringt, mehr
Strom zu verbrauchen, wenn er höher getaktet wird? Ein Flip-Flop benötigt
doch eigentlich im Mittel einen Konstantstrom...
Und wie geht die Taktrate eigentlich etwa in die Gesamtleistung ein? Linear?
Quadratisch?

Danke

Frans

 

[Tilmann Reh]

Frans Fürst schrieb:

Kann mir von euch jemand erzählen, was einen Prozessor dazu bringt, mehr
Strom zu verbrauchen, wenn er höher getaktet wird? Ein Flip-Flop benötigt
doch eigentlich im Mittel einen Konstantstrom...

Nein, bei Bausteinen in CMOS-Technik wird für jeden Umschaltvorgang
eine nahezu konstante Energie benötigt. Diese ist allerdings auch noch
abhängig von der Betriebsspannung, die Ursachen sind a) das Umladen von
Kapazitäten und b) ein relativ hoher Querstrom für den kurzen Moment
des Umschaltens, in dem beide Transistoren einer Stufe leitend sind.

Eine nahezu konstante Energie pro Schaltflanke ergibt dann eine
mit der Frequenz steigende mittlere Stromaufnahme.

Und wie geht die Taktrate eigentlich etwa in die Gesamtleistung ein? Linear?
Quadratisch?

Bei konstanter Betriebsspannung recht linear.

Bei modernen (PC-) CPUs wird aber auch die Betriebsspannung abhängig
von der aktuellen Betriebssituation geändert, dadurch wird das wohl
nichtlinear werden.

--
Dipl.-Ing. Tilmann Reh
Autometer GmbH Siegen - Elektronik nach Maß.
http://www.autometer.de

 

[Rafael Deliano]

Unter der Annahme daß hier CMOS gemeint ist:

Kann mir von euch jemand erzählen, was einen Prozessor dazu bringt, mehr
Strom zu verbrauchen, wenn er höher getaktet wird?
Durchschuß. Wenn man sich bei 5V Versorgung einen simplen ungepufferten

Inverter vorstellt sind bei Spannung am Eingang von 2,5V sowohl
der P-Kanal als auch der N-Kanal leitend. Also fließt durch beide Strom.
Der kurze Spike tritt bei jeder Schaltflanke auf. Mehr Schaltflanken
pro Zeit also mehr Strom.

Linear?
Näherungsweise.

MfG JRD

 

[Juergen Hannappel]

Rafael Deliano <Rafael_Deliano@t-online.de> writes:

Unter der Annahme daß hier CMOS gemeint ist:

Kann mir von euch jemand erzählen, was einen Prozessor dazu bringt, mehr
Strom zu verbrauchen, wenn er höher getaktet wird?
Durchschuß. Wenn man sich bei 5V Versorgung einen simplen ungepufferten
Inverter vorstellt sind bei Spannung am Eingang von 2,5V sowohl
der P-Kanal als auch der N-Kanal leitend. Also fließt durch beide Strom.

Es braucht auch Strom um die Kapazitaeten umzuladen, der geht auch
linear mit der Taktfrequenz und wird auch gebrauct wenn man durch
Tricks den "Durchschuß" vermeidet.

--
Dr. Juergen Hannappel http://lisa2.physik.uni-bonn.de/~hannappe
mailto:hannappel@physik.uni-bonn.de Phone: +49 228 73 2447 FAX ... 7869
Physikalisches Institut der Uni Bonn Nussallee 12, D-53115 Bonn, Germany
CERN: Phone: +412276 76461 Fax: ..77930 Bat. 892-R-A13 CH-1211 Geneve 23

 

[Juergen Hannappel]

Gernot Zander <hifi@gmx.de> writes:


[...]

Und wie geht die Taktrate eigentlich etwa in die Gesamtleistung ein? Linear?
Quadratisch?

Theoretisch quadratisch, ob das praktisch auch so ist, weiß ich

Wieso? Jede Umladevorgang braucht die gleiche Ladung, selbige mit der
Rate gibt den mittleren Strom, mit der Spannung multipliziert die
Leistung: Also Linear.

--
Dr. Juergen Hannappel http://lisa2.physik.uni-bonn.de/~hannappe
mailto:hannappel@physik.uni-bonn.de Phone: +49 228 73 2447 FAX ... 7869
Physikalisches Institut der Uni Bonn Nussallee 12, D-53115 Bonn, Germany
CERN: Phone: +412276 76461 Fax: ..77930 Bat. 892-R-A13 CH-1211 Geneve 23

 

[Gernot Zander]

Hi,

in de.sci.electronics "Frans Fürst" <frans.remove@gno.de> wrote:

Kann mir von euch jemand erzählen, was einen Prozessor dazu bringt, mehr
Strom zu verbrauchen, wenn er höher getaktet wird? Ein Flip-Flop benötigt
doch eigentlich im Mittel einen Konstantstrom...

Die zwar kurzen aber vorhandenen Leitungen sowie die Gatter der
FETs usw. müssen "umgeladen" werden, sie haben eine geringe
Kapazität, die aber bei derart hohen Frequenzen ins Gewicht
fällt.

Und wie geht die Taktrate eigentlich etwa in die Gesamtleistung ein? Linear?
Quadratisch?

Theoretisch quadratisch, ob das praktisch auch so ist, weiß ich
nicht.

mfg.
Gernot

--
<hifi@gmx.de> (Gernot Zander) www.kabelmax.de *Keine Mailkopien bitte!*
Ein Narr sagt, was er weiß. Ein Weiser weiß, was er sagt.

 

[Roland Macho]

"Frans Fürst" <frans.remove@gno.de> schrieb im Newsbeitrag
news:408934dc$0$26764$9b4e6d93@newsread4.arcor-online.net...

Hallochen!

Kann mir von euch jemand erzählen, was einen Prozessor dazu bringt, mehr
Strom zu verbrauchen, wenn er höher getaktet wird? Ein Flip-Flop
benötigt
doch eigentlich im Mittel einen Konstantstrom...
Und wie geht die Taktrate eigentlich etwa in die Gesamtleistung ein?
Linear?
Quadratisch?

Danke

Frans

Hallo Frans,

Heutige ICs bestehen meist aus einer großen Zahl von CMOS-Transistoren.
Diese kann man sich als Schalter vorstellen. Bei jedem Zustandswechsel
werden die Kapazitäten zwischen den Anschlüssen der Transistoren
umgeladen.
Die Halbleiterschichten haben einen bestimmten Widerstand. Nach dem Gesetz
P= I^2 * R wird eine Umschalt-Verlustleistung erzeugt, die sich als Wärme
äußert. Diese muß im Extremfall mit Gebläsen oder Wasserkühlung abgeführt
werden.
Es ist deshalb von Vorteil, digitale Schaltkreise nieder zu takten, wenn
man geringe Verlustleistung will. Gigahertz-Prozessoren sind nicht dafür
ausgelegt. Im Desktop-PC wird es damit sehr heiß. Bei Laptops sieht es
etwas
besser aus, da die Prozessoren wegen Batteriebetriebs etwas langsamer
getaktet werden.

Der Zusammenhang zwischen Taktfrequenz und Verlustleistung ist
weitgehend
linear. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Perip herie-Schaltungen
(Input/Output-Buffer) des ICs auch eine statische Verlustleistung haben
(pull-up- oder Pull-down-Widerstände).
Die entsprechenden Werte kann man dem Datenblatt entnehmen.

Die Ausführungen zeigen, daß man für jede Leistungssteigerung einen
gewissen Preis zu zahlen hat. So ist es nun mal.

Mit frdl. Grüssen,
Roland

 

[Juergen Hannappel]

Gernot Zander <hifi@gmx.de> writes:


[...]

Ich dachte:
Der kapazitive Widerstand ist "eins durch Omega mal C", geht also
linear runter, dadurch steigt der Strom linear, und das mit dem

Jein. Die Frequenzen, die bei den Digitalen Signalen vorkommen haengen
nicht von der Taktfrequenz ab, nur von der Flankensteilheit.
(Alles unter der Annahme, das wir hier von einem Chip reden, bei dem
ausser der Taktfrequenz nichts geandert wird, insbesondere auch die
Betriebsspannung nicht)

[...]

Wenn aber gleichzeitig der Strom auch noch dadurch höher wird,
dass beide Transistoren eine konstante Zeit beim Schalten
durchlässig sind, dann wär's doch so in der Richtung quadratisch.

Nein, das waere auch wieder nur ein linearer Term, zumindest solange
diese "Durchlasszeiten" noch luecken zwischen sich haben, danach
klappt's eh nicht mehr.

--
Dr. Juergen Hannappel http://lisa2.physik.uni-bonn.de/~hannappe
mailto:hannappel@physik.uni-bonn.de Phone: +49 228 73 2447 FAX ... 7869
Physikalisches Institut der Uni Bonn Nussallee 12, D-53115 Bonn, Germany
CERN: Phone: +412276 76461 Fax: ..77930 Bat. 892-R-A13 CH-1211 Geneve 23

 

[Gernot Zander]

Hi,

in de.sci.electronics Juergen Hannappel <hannappe@lisa2.physik.uni-bonn.de> wrote:

Gernot Zander <hifi@gmx.de> writes:

Und wie geht die Taktrate eigentlich etwa in die Gesamtleistung ein? Linear?
Quadratisch?

Theoretisch quadratisch, ob das praktisch auch so ist, weiß ich

Wieso? Jede Umladevorgang braucht die gleiche Ladung, selbige mit der
Rate gibt den mittleren Strom, mit der Spannung multipliziert die
Leistung: Also Linear.

Ich dachte:
Der kapazitive Widerstand ist "eins durch Omega mal C", geht also
linear runter, dadurch steigt der Strom linear, und das mit dem
Quadrat habe ich daher genommen, dass bei steigender Spannung
die Leistung quadratisch zunimmt, und das in einen Topf geschmissen,
so auf die Schnelle, was natürlich flasch war. Du hast Recht.

Wenn aber gleichzeitig der Strom auch noch dadurch höher wird,
dass beide Transistoren eine konstante Zeit beim Schalten
durchlässig sind, dann wär's doch so in der Richtung quadratisch.
Aber das kann ich nicht belegen - sollte man mal ausmessen,
denn es spielen mehrere Faktoren mit...

mfg.
Gernot

--
<hifi@gmx.de> (Gernot Zander) www.kabelmax.de *Keine Mailkopien bitte!*
Mathematiker streiken für 4% mehr PI. Auch e soll nach jahrzentelanger
Konstanz angehoben werden! (Heinz Saathoff)

 

[Rolf Bombach]

Juergen Hannappel wrote:

Durchschuß. Wenn man sich bei 5V Versorgung einen simplen ungepufferten
Inverter vorstellt sind bei Spannung am Eingang von 2,5V sowohl
der P-Kanal als auch der N-Kanal leitend. Also fließt durch beide Strom.

Es braucht auch Strom um die Kapazitaeten umzuladen, der geht auch
linear mit der Taktfrequenz und wird auch gebrauct wenn man durch
Tricks den "Durchschuß" vermeidet.

Ja, allerdings kann man die Effekte ansonsten nicht trennen,
da beide linear zur Taktfrequenz sind. Ich hab hier
ein Diagrämmchen vorliegen, bei dem kann man bei CMOS
Gattern und Flipflops zwischen 10kHz und 10MHz keine
Abweichung von der linearen Abhängigkeit erkennen,
jedenfalls nicht von Auge. Also weder Durchbiegung
der Kurve noch Abweichung von Steigung 1. Ab einige
MHz schluckt dann deswegen CMOS mehr als LSTTL, aber
Achtung, ab diesen Frequenzen steigt auch der Strom-
verbrauch der LSTTL linear mit der Frequenz an.
(BTW, wer erinnert sich noch an die NMOS Zeiten :-]).

--
mfg Rolf Bombach