《综合(高中)信息技术-高中(综合)-电压跟电脑的反映速度有关系吗.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《综合(高中)信息技术-高中(综合)-电压跟电脑的反映速度有关系吗.doc（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、教育资源分享电压跟电脑的反映速度有关系吗当然有关系了 电压和频率这两个词是再熟悉不过的。攒机时大家最关注的就是CPU的这两个参数。在电子线路中，直流供电为电路提供电能，是电路或元件工作的必要条件。而对数字电路来说，除了稳定的供电之外，时钟频率也是一个关键的因素。如果把供电电流比作电路中流淌的血液，那么时钟信号就相当于心脏助搏器，失去时钟信号则意味着心脏停止跳动。另一方面，频率的升降直接影响系统性能，频率提高意味着指令执行速度加快，系统性能得以提高。 可见，电压和频率这两个参数在电路中起着完全不同的作用，它们之间看上去并无必然联系。既然这样，那么提升供电电压为什么能使系统变得稳定呢？我们不妨先了
2、解一下超频让CPU变得不稳定的原因。 一、超频为什么使CPU变得不稳定？ CPU的发展有两个明显特征：一是晶体管数量的增加使功能日益强大，二是工作频率的提高加快了运算速度。从第一块微处理器芯片4004到现在的Northwood核心P4，CPU中晶体管的数量从2300个增加到5500万，频率从8MHz提升到3GHz，每一次革命都意味着新工艺的诞生，意味着巨大的投入。 众所周知，任何电路都有一定的频率范围，如果信号的频率低于fL或高于fH，电路将失去放大作用，结果导致信号传输失败。于是，通常把fH与fL的差值就称为电路的带宽(图1)。增加带宽的任务就是增加fH和减小fL。对于微处理器等高速器件而言
3、，提升速度的主要任务是提高fH。 fH与集成电路的制作工艺有着密切联系。晶体管是构成微处理器肌体的细胞，为了说明问题，我们把晶体管的源极和漏极想像为一条管道的两端，门极是管道中间的一个阀门，控制电子是否可以从管道中流过。管道的长度越短，电子流过晶体管的速度越快，因此能获得更高的频率。图2为NMOS管时延与晶体管尺寸之间的关系，可以看出，芯片速度与管道长度成反比。也就是说，只要将管道长度缩短一半，工作频率可提高4倍。芯片速度除了和晶体管的速度有关外，还与芯片的布线延迟有着密切关系，缩短布线长度同样可以提高芯片速度。所以，芯片集成度的提高与速度的提升，目的和结果都是一致的。 多年来，研究人员所付出
4、的努力，基本上集中在缩小芯片内晶体管的尺寸上。Intel 4004采用10微米工艺，而P4已经采用了0.13微米的深亚微米工艺(图3)，使芯片中的晶体管尺寸比以前缩小了近百倍(表1)。目前CPU内晶体管数量已经超过1亿个，尺寸也只有几个原子那么大。尺寸如此小的晶体管很容易引起电流泄漏，产生大量的热量。自Intel 80486开始，就不得不为CPU安装散热片了。但安装散热片毕竟是被动地补救，如果不采取积极主动的措施，现今的CPU是无法正常工作的。频率的提高，增加了晶体管的开关次数和导通时间，也使晶体管的发热量进一步增加。 CPU频率超过额定频率时，系统会变得不稳定，甚至完全不能工作。为什么会出现
5、这种情况呢？让我们先来看看实际信号波形与理想脉冲信号之间的差别(图4)。由于芯片内部连线和器件均存在寄生电容，电容的充放电过程将使实际信号波形的上升沿和下降沿不像理想波形那样陡峭。当进行超频时，缩短了电压上升时间，因此波峰将有可能尚未达到或刚刚接近电路有效电平的临界值(图5)，结果造成部分晶体管工作失常。在数以亿计的晶体管中，只要其中的1个晶体管工作失常，整个系统就会变得不稳定，出现运算出错、死机、蓝屏、自动重启动等种种故障现象。频率提升越多，故障发生越频繁，也越严重，直至系统彻底崩溃。 知识链接：寄生电容及其危害 寄生电容（parasitic capacitance）也称为分布电容或杂散电容
6、，是连接线之间或连接线与地线、电源线、衬底间的电容，如图6所示。根据公式CS/d可知，电容容量C与构成电容器的两个极板的面积S成正比，与两极板之间填充物的介电常数成正比，而与极板间的距离d成反比。此公式同样适合于寄生电容，两个导体彼此靠近，便会产生寄生电容。因此，寄生电容是无处不在而且挥之不去的隐形存在。在集成电路中，金属连线之间存在分布电容、MOS管中存在栅漏电容。随着集成度的提高和元件尺寸的缩小，集成电路内的寄生电容容量有增无减。在CPU中寄生电容是十分有害的，它不仅造成信号衰减，还加剧了集成电路的发热。容抗XC1/(2fC)反映了电容对信号传输的影响，信号频率f越高，容抗越小，危害也就越
7、大。 二、提升CPU供电电压果真能提高系统稳定性吗？ 通过上述分析我们知道，超频所导致的系统不稳定，是由于集成电路中部分晶体管电平不足这是问题的症结所在。那么，只要提高芯片供电电压，就能使信号电平拉回到有效电平区域(图7)。 稍微提升一点供电电压不仅不会摧毁CPU，反而还能让CPU重新回到正常状态，这种做法几乎成了大部分超频者的秘密武器了。但应该看到，这种做法存在严重不足。首先，它并不总是有效的，当频率提升过多，供电电压无论提升到多么高，都无济于事；其次，由于升高频率和提升电压两种因素都导致CPU耗电更多，发热量更大，有可能使CPU发生不可恢复的故障。因此，提高系统稳定性不过是个表面现象，事实
8、上CPU在超负荷工作，随时都有烧焦的可能。 三、提升供电电压使芯片功耗剧增 集成电路中的晶体管有双极型(Bipolar)和金属氧化物半导体(MOS)两种类型，现在广泛使用CMOS(互补式金属氧化物)工艺制作超大规模集成电路，正是因为CMOS芯片的功耗远小于Bipolar的缘故。就CMOS芯片来说，其频率f、电压V与功耗P之间存在如下关系: PCV2f 其中C表示电路负载大小。很明显，提升供电电压V将使发热量急剧上升。 只有降低供电电压，才能减小芯片功耗，因此CMOS技术一直朝着低电压的方向在发展。从Intel 8086到Intel 80486，CPU的供电电压一直为5V，从Pentium开始，
9、电压值一路下降，直至今天的1.5V左右。Pentium-M 900作为Intel为笔记本电脑开发的一款超低电压CPU芯片，工作于全速模式下(主频为900MHz)，核心电压为1V，工作在节能模式下(600MHz)，核心电压仅0.84V。未来几年内，台式机CPU供电电压也将全部降至1V以下。 工作电压的降低受到半导体材料性能的限制，使用二氧化硅的物理极限为4个分子层，目前的技术已经接近这个极限。Intel最新推出的Presccot处理器采用一种低介电常数绝缘体(Low-k Dielectrics)材料。未来的半导体材料将是什么，目前形势尚不明朗，或许是碳纳米管，或者常温超导。 四、如何处理频率与供
10、电电压之间的关系？ 我们已经知道，为了克服频率提升给作为容性负载的CPU带来的负面影响，提升电源电压，可以补偿信号驱动能力上的损失，使系统重新回到正常工作的轨道上来。 容性负载是这样，感性负载也不例外，这在老式的显示器中表现尤为突出：提高显示分辨率时，会发现显示区域的尺寸明显缩小。由感抗公式XL2fL可知，感抗XL与信号频率f成正比。分辨率提高意味着行频提高，行频提高使行偏转线圈感抗增大、电流减小、偏转电场强度减弱，因此屏幕尺寸缩小。为了克服这种弊端，新的显示器中加入了自适应电路，当行频升高时，自动提升行输出供电电压，以抵消提升行频带来的负面影响。 由此我们似乎可以总结出这么一个方法：提升供电
11、电压即可补偿因提升频率带来的电路工作状态的变化。其实问题并没有那么简单：越来越快的CPU，越来越低的供电电压，使CPU供电电流高达几十安培，如此大的电流对主板的PCB和供电系统都是一个严峻考验。 从电路理论上分析，频率和电压两个参数没有直接关系，但在高频电路中，它们之间却潜伏着一种间接关系。已经出现的种种节能技术正是利用了这种关系，如笔记本电脑上使用的SpeedStep技术、PowerNow!技术和LongRun技术。总体来看，这些节能技术有一个共同点，就是“降频”，但如果反过来分析这些节能技术就会发现，要提高性能，就必须同时提升供电电压和频率，这与我们超频时提升CPU供电电压的做法如出一辙，
12、但结果都一样使CPU的发热量剧增。 编辑观点:“CPU超频”是个颇具历史性的话题，它最大的诱惑在于可以让电脑玩家“少花钱多办事”、“一分钱买两分货”。而今，不仅CPU大谈超频，连显卡、内存也无一幸免成为被超对象。为了迎合玩家心理，厂商纷纷推出各种超频功能，如BIOS设置CPU电压、AGP电压和内存电压调节等，使本已越轨的“超频”行为更加的肆无忌惮。在此我们要忠告各位，“超频”是冒险，如果一个产品本来可以工作在更高的频率，为何厂家不把它“提前超高”了再拿出来卖高价钱？此问题值得我们深思。此外，随着电脑性能的飞速提高，超频将变得越来越没有必要。相信你不会为了让游戏多上几帧、让应用程序运行速度快几秒而冒数据损坏、机器稳定性下降的风险。在新的时期，“应用”将成为替代“超频”的主旋律。教育资源分享，构建知识库
