Wird für eine bestimmte Frequenz (in Prozessoren) eine bestimmte Spannung benötigt?

Das ist nicht wirklich kompliziert, sondern eher komplex. Grob gesagt hängt die Geschwindigkeit (Lauffrequenz) eines Prozessors von der Schaltgeschwindigkeit von Logikgattern ab. Die Schaltgeschwindigkeit wiederum hängt von der Treiberstärke der Transistorpaare ab, die verbundene Netze treiben müssen. Die Netze haben eine gewisse Kapazität, sodass mit der höheren Spannungsschiene die Spannungsschwelle (Schaltschwelle) schneller erreicht wird (da die Schwellen der Transistoren in einem bestimmten Herstellungsprozess festgelegt sind), sodass die Gate-Verzögerung kleiner ist und Pipelines schneller laufen können.

Bei einer höheren Schaltspannung würde das Gate jedoch mehr verbrauchen (als Funktion von V^^2), sodass der Chip überhitzen kann, was den gegenteiligen Effekt hat, die Schaltgeschwindigkeit verlangsamt und beispielsweise auch die Logikeinheit zerstören kann Elektromigrationsrate drastisch erhöhen. Dies erlegt der Spannungs-Geschwindigkeits-Beziehung eine Obergrenze auf.

In der Idee der dynamischen "Skalierung" können einige CPU-Blöcke (wie Cache-/Speichercontroller) im laufenden Betrieb so konfiguriert werden, dass sie schneller laufen und eine höhere Spannung benötigen. Die Idee ist also, dass jeder wichtige Logikblock eine interne LDO-Stromversorgung und eine variable Taktsteuereinheit hat. Wenn eine schnellere Ausführung dieser Einheit erforderlich ist, würde ein Hilfsprozessor namens "PMU", Power Management Unit, die entsprechende Spannung erhöhen und dann seinen laufenden Takt erhöhen. Wenn die Nachfrage sinkt, senkt die PMU zuerst den Takt und reduziert dann die Spannung. Und der PMU-Mikrocode überwacht auch die Temperatur der Blöcke.

Kurz gesagt, für jeden vernünftigen Spannungspegel gibt es eine bestimmte maximale Taktrate, wenn die Logik ohne Zeitfehler arbeiten kann. Eine niedrigere Taktrate ist normalerweise in Ordnung, aber man kann den Block für den Betrieb bei niedrigerer Spannung optimieren, was Energiesparvorteile hat (wie weniger Leckage). Wenn die Spannung am unteren Ende zu niedrig eingestellt ist, kann die Betriebsfrequenz Null sein, sodass die Logik nur Flip-Flop-Zustände aufrechterhalten, aber nicht schalten kann.

Wird für eine bestimmte Frequenz (in Prozessoren) eine bestimmte Spannung benötigt?

Wie gefragt ist die Antwort nein. Es gibt kein allgemeines Gesetz oder einen Mechanismus, der vorschreibt, dass Sie die Spannung V benötigen, um die Frequenz F zu verwenden.

Ich habe in einem Artikel über Latenz bei dynamischer Spannungs- und Frequenzskalierung gelesen, dass die Spannung die Frequenz "stützen" muss. Wenn die Frequenz für die Spannung zu hoch ist, führt dies laut diesem Artikel zu einem "gefährlichen Zustand" (ich liebe, wie spezifisch sie sind).

Das ist jetzt eine andere Sache. Für jeden spezifischen Prozessor oder jede Technologie hat die Geschwindigkeit, mit der die Gates, Transistoren innerhalb des Geräts von einem logisch niedrigen Pegel auf einen logisch hohen Pegel oder umgekehrt umschalten können, ein endliches Maximum. Die benötigte Zeit wird als Anstiegszeit und Abfallzeit bezeichnet und ist unabhängig von der Frequenz des Signals.

So können Sie sehen, dass mit zunehmender Frequenz die flachen Hoch- und Tiefpunkte relativ zu den Übergängen in der Breite abnehmen. Wenn Sie die Frequenz zu weit erhöhen, werden die hohen und niedrigen Pegel NIE erreicht und das Gerät funktioniert nicht mehr.

Außerdem wird während des Umschaltens während dieser Übergänge beträchtliche Energie verbraucht, verglichen mit sehr wenig Energie, um den Pegel zu halten. Wenn sich also die Frequenz den Anstiegs- und Abfallzeiten nähert, steigt der Stromverbrauch und die erzeugte Wärme im Gerät an und kann dazu führen, dass das Gerät schmilzt.

Hier hilft eine Reduzierung des Spannungspegels. Betrachtet man den Impuls oben, sieht man, dass durch die Halbierung der Spannung auch die Anstiegs- und Abfallzeiten um etwa die Hälfte verkürzt werden. Das gibt Ihnen die Möglichkeit, die Taktrate weiter anzukurbeln, als Sie es mit der ursprünglichen Spannung könnten.

Allerdings: Die Reduzierung der Betriebsspannung kostet auch. Wenn Sie die Spannung verringern, verringern Sie am Ende auch das Signal-Rausch-Verhältnis. Das heißt, und als extremes Beispiel mag eine 5-V-CPU 1 V Rauschen nicht stören, aber eine 1,8-V-CPU wird es definitiv hassen. Als solches gibt es hier einen Kompromiss.

Es gibt auch Hybridgeräte. Viele moderne Prozessoren verwenden tatsächlich eine interne Spannung, die viel geringer ist als die angelegte Spannung, um ein schnelleres Schalten zu ermöglichen, während der Pegel auf die externen Pins übertragen wird.