Как определяется тактовая частота устройств?

Частота, на которой работают логические микросхемы, определяется используемой технологией — от очень старых логических семейств , таких как RTL (резисторно-транзисторная логика), DTL (диодно-транзисторная логика), ECL (эмиттерно-связанная логика), TTL (транзисторно-транзисторная логика). логика), который имеет несколько подтипов, таких как S (высокоскоростной Шоттки), LS (маломощный высокоскоростной), F (быстрый), AS (расширенный Шоттки), CMOS, с такими подтипами, как HC (высокоскоростной CMOS ) и HCT (совместимая с TTL высокоскоростная CMOS).

Каждый из них имеет характерную максимальную тактовую частоту в диапазоне от 4 МГц для RTL, 25 МГц для TTL, 50 МГц для HC/HCT CMOS, 100 МГц для TTL S и F, 500 МГц для ECL и до нескольких ГГц для состояния. передовых конструкций КМОП в современных многоядерных микропроцессорах.

Таким образом, в каждом случае разработчик логики должен сначала выбрать семейство логики, совместимое с его требованиями, как с точки зрения мощности, напряжения питания и логических порогов, так и скорости. Например, несмотря на то, что это очень старое семейство и имеет более низкую скорость переключения, микросхемы серии 74LS00 по-прежнему широко доступны и используются в новых конструкциях. LS TTL хорошо работает на частоте 40 МГц, а HCT CMOS может работать на частоте 50 МГц, а для многих логических схем большего и не требуется. Взгляните на различные схемы на этом сайте, и вы увидите много используемых чипов LS и HCT с тактовой частотой всего несколько МГц. Это предел, который вы можете надежно прототипировать на беспроводной макетной плате.

Таким образом, вы сначала проектируете схему, определяете, на какой скорости она должна работать, а затем выбираете технологию для использования. Иногда скорость схемы будет определяться необходимостью выборки внешних данных — например, выборка аналоговых данных с использованием АЦП с определенной частотой, скажем, 1000 раз в секунду. И тогда вам может понадобиться хранить данные в памяти с определенной скоростью. Итак, вы смотрите на то, какие самые быстрые требования, и идете оттуда. Часто это связано с выбором микроконтроллера для запуска всего. Микроконтроллеры могут работать с тактовой частотой от 32,768 кГц (часы кристалла) или ниже, чтобы работать с очень низким энергопотреблением, вплоть до сотен МГц для 32-битных чипов. Хотя большинство 8-битных микроконтроллеров меньшего размера используют тактовые частоты в десятки МГц или меньше.

Скорость каждого типа ворот будет показана в таблице данных либо в виде частоты переключения (как указано ранее), либо в виде задержки распространения, обычно в нс (наносекундах) или пс (пикосекундах). Для новой ИС, разрабатываемой собственными силами, такой как микроконтроллер или память, компания, занимающаяся проектированием, будет иметь информацию для своих разработчиков логики об этих параметрах в зависимости от типов транзисторов и используемого процесса.

На следующей диаграмме показана задержка распространения от переднего фронта входа до соответствующего переднего фронта выхода и наоборот для логического элемента серии 74HCT00. т$_{pd}$задается как типичное значение 10 нс и максимальное значение 27 нс для этого вентиля.

Задержки распространения важно учитывать при проектировании, потому что, если у вас есть несколько сигналов, которые необходимо считать в определенный момент времени, вы должны убедиться, что все они стали стабильными. Например, в случае записи в микросхему ОЗУ важно, чтобы как линии адреса, так и линии данных были стабильными до того, как сигнал, называемый стробом записи (-WR на диаграмме ниже), будет использоваться для тактирования данных в память. Память. Эта задержка между тем, когда стабильные данные впервые поступают в ОЗУ и когда они синхронизируются, называется «временем установки данных» и показана на следующей диаграмме:

Вы можете наблюдать задержку распространения в вентиле с помощью многоканального осциллографа, используя один или несколько каналов для входа (ов) и один или несколько каналов для выхода (выходов). Например, используя четырехканальный осциллограф, можно было бы наблюдать динамическое поведение полусумматора с двумя входами, а также выходами суммирования и переноса.

Разработчики, которые собираются использовать чип, просто используют значения задержки распространения, указанные в техническом описании. Но откуда берутся эти цифры?

Прежде всего, разработчики чипа создадут модели , которые можно использовать для полной симуляции внутренней работы чипа до того, как он будет «заклеен». Ошибка на этом этапе может привести к тому, что чипу придется пройти через «вращение», что может стоить миллионы долларов. При построении модели им не придется каждый раз начинать с нуля, а можно начать с моделей более ранних разработок, основанных на той же технологии. Когда прибудет первый кремний, чип пройдет как проверку, так и характеристику, в ходе которых различные характеристики параметров чипа будут измерены и сравнены с моделью. Все эти данные затем используются для генерации значений таблицы данных. Так что это комбинация теории и реальных измерений.

В общем, по мере увеличения плотности транзисторов на ИС ( закон Мура ) скорость увеличивается. Технологии производства микросхем увеличились с 10 мкм в 1971 году до 1 мкм в 1985 году, 90 нм в 2004 году и 14 нм в 2014 году.

8-битный микропроцессор 6502 , использовавшийся в Apple ][ (1977), имел 3510 транзисторов, использовал техпроцесс 8 мкм и работал на частоте чуть более 1 МГц. 64-разрядный трехъядерный микропроцессор ARM Apple A8X, используемый в iPhone 6, имеет 3 миллиарда транзисторов (почти в миллион раз больше, чем у 6502), использует техпроцесс 20 нм и работает на частоте 1,5 ГГц (почти в 1,5 миллиона раз быстрее) . чем 6502).