Hohe Spannungen beim OC, wie ist das möglich?

[Krik]

Moin

Ich studiere Informatik und habe mich gerade an ein paar Stunden aus der Vorlesung über technische Informatik erinnert.
Es wurde unter anderem darüber referiert, wie in einem Chip 0 und 1 definiert sind.

Ich gebe das mal in einer Kurzform wieder:
Es ist allgemeine Annahme, dass ein Computer nach dem Strom ein/Strom aus-Prinzip Daten kodiert (siehe Dualsystem). Auf Ebene der Mikroelektronik sieht das so aus, dass zB eine Spannung zwischen 0 und 0,3 V eine Null ("Low") und 1,0 bis 1,3 Volt eine Eins ("High") anzeigen. Dazwischen (0,3 V bis 1,0 V) befindet sich eine Sperrbereich für die kein Wert definiert ist. Liegt eine Spannung in diesem Bereich, so kann sie nicht eindeutig der Null oder der Eins zugeordnet werden.


Warum diese Bereiche?
Zum einen braucht man eine möglichst große Trennung zwischen Eins und Null, um sie eindeutig unterscheiden zu können. Bereiche, besser gesagt Toleranzen, sind wichtig, weil man keine Spannung exakt halten kann. Sie wird immer etwas fluktuieren. Auch sind genau 0 Volt nicht möglich, da es quasi immer Leckströme gibt.

Dazu kommt, dass Transistoren relativ träge schalten. Die Spannung steigt und sinkt nicht sofort, sondern folgt einer Kurve. Die Zeit, die ein Transistor benötigt, um zwischen High und Low zu wechseln, nennt man Schaltzeit. Je kürzer die Schaltzeit, desto höhere Frequenzen sind möglich.
Als Randnotiz: Viele Transistoren benötigen mindestens 0,7 V oder mehr, um überhaupt schalten zu können.


Mir geht es jetzt um folgendes: Wenn man bei einem Prozessor die Spannung hebt oder senkt, dann hat das direkte Auswirkungen auf die Spannung, die am Transistor anliegt. Die Toleranzen eines Transistors sind allerdings nicht so hoch, wie man oft genug in OC-Threads ließt. Da hat jemand eine CPU mit einer VCore von 1,3 V und jagt die mal eben auf 1,5+ Volt hoch. Die Transistoren sollten bei diesen Spannungen jetzt eigentlich nicht mehr richtig funktionieren, da sie dafür nicht ausgelegt sind.


Habe ich hier jetzt irgendwo einen Denkfehler? Wie ist es denn jetzt möglich, dass man die Spannung so viel ändern kann, ohne das die Transistoren zB durchbrennen oder der High- und der Low-Bereich sich zu sehr verschieben?
Gruß, Laurin

 

[-Geist-]

Meine spontane Erklärung:

Bei der CMOS Technologie fließen minimale Ströme nur im moment des Schaltens. Die Summe der Transistoren und die hohen Frequenzen ergeben erst die hohe Leistungsaufnahme.

höhere Frequenz -> höhere Leistungsaufnahme -> Anpassung der Spannung

Dabei wird die komplette Schaltung mit höheren Spannung betrieben, nicht aber die einzelnen Transistoren.

 

[LordArgaron]

Ich bin in dem Thema nicht bewandert, allerdings ein kleiner Denkanstoß: Wenn es so ist dass 0-0,3 und 1-1,3 definiert sind (und zwar schon immer), dann werden die VCORE-Spannung und die EIN/AUS-Spannung unabhängig voneinander sein. ULC CPU's werden zum Teil unter Spannungen von 1V und viele Desktop CPU's (besonders lätere) arbeiten jenseits der 1-1,3. Der P4 arbeitete soweit ich mich noch erinnere mit 1,75.

Greez

 

[Abolis]

Du musst die Schaltspannung als physikalische Spannung sehen... nicht als absolute Größe. Durch Anheben der VCore wird nicht die "Null"-Spannung verändert, sondern nur die "1". Allerdings werden in der CPU ja keine Spannungen ausgelesen, und ein Pegel kann "über" der serienmässigen "1" liegen.
Ein Transistor schaltet, oder eben nicht. Eine CPU ist nur eine Verkettung vieler Transistoren.
Beispiel: A bekommt Signal 1 --> B schaltet auf 1 , C schaltet auf 0, D schaltet auf 1 etc....
Dabei ist es unerheblich wie hoch wirklich "1" ist, solange der Transistor schalten kann und dabei schnell genug ist.

Die Spannungsbereiche die du nennst sind die spezifizierten Spannungsbereiche in denen eine Logikschaltung funktionieren sollte. Damit ein Transistor schaltet muss natürlcih die Bandlücke überwunden werden. Daher der Schwellwert von ca. 0,7V. Er ist abhängig vom verwendeten Halbleitersubstrat, Epitaxie und Dotierung und relativ typisch für Silizium-MOSFETs.

 

[Krik]

Also gibt es keine obere Begrenzung des High-Bereichs? Ich hatte immer gedacht, dass ein Transistor dann zB schon bei 1,4 V auf Wiedersehen sagt, wenn der High-Bereich bei 1,3 V endet.

Was mir auch etwas Kopfzerbrechen bereitet, ist die Low-Spannung. Leckströme gibt es überall und je höher die allgemeine Spannung, desto höher wird auch der Leckstrom. Ich denke mir dabei, dass der Leckstrom dann irgendwann eine Spannung erreicht, der überhalb des Low-Bereichs liegt. Damit gäbe es ja keine 0 mehr.

 

[Abolis]

Eine obere Begrenzung des "High"-Pegels gibt es natürlich schon. Spätestens dann, wenn der Transistor druchbrennt. Allerdings ist diese keine feste Grenze, allgemeingültig für alle Transistoren... sie ist abhängig von Bauart des Transistors (MOSFET, MESFET, HEMT, HBT etc...) und vom Halbleitersubstrat, Dotierung, Epitaxie, Temperatur etc...
Die meisten Transistoren sterben bei Überspannung an Gitterdefekten die durch die Stöße der Elektronen entstehen. Dies kann sowohl schleichend als auch plötzlich einsetzen (je nach Spannungshöhe).

Die Leckströme sind hier wieder ein ganz anderes Thema. Es ist dabei auch immer wichtig, dass man die verschiedenen Ursachen und Effekte unterscheidet, wie und wo Leckströme entstehen. Es gibt einen Leckstrom der bei "gepinchtem" Transistor immer noch zwischen Source und Drain fließt, dann gibt es natürlich auch Substratleckströme zwischen verschiedenen Transistoren etc...
Gleichzeitig steigt mit der Spannung auch das E-Feld und die parasitären Kapazitäten und Induktivitäten ändern sich.

Daher ist Overvolting IMMER kritisch für einen Halbleiter und verkürzt IMMER auch die Haltbarkeit. Aber dennoch besitzen viele Schaltungen ein relativ breites Spannungsfeld in dem sie betrieben werden können.
Wie hoch hängt von vielen Faktoren ab und kann allgemeingültig nicht gesagt werden.

Ein extremes Beispiel wären Transistoren auf Hochleistungsverstärkern. Diese werden beispielsweise mit bis zu 25V beschaltet... und brechen auch nicht durch.