آورکلاک کردن آردوینو با نیتروژن مایع و رسیدن به فرکانس 65.3 مگاهرتز

قبل از پرداختن به این مطلب، ابتدا به 2 پرسش زیر پاسخ می‌دهیم:

1) چرا باید این تست (اورکلاک کردن برد آردوینو با خنک‌کننده نیتروژن) را انجام دهیم؟ برای اینکه یاد بگیریم تجهیزات الکترونیکی در دماهای پایین چگونه کار می‌کنند و بفهمیم که با تحت‌فشار گذاشتن AVR با اورکلاک چقدر می‌توانیم پرفورمنس میکروکنترلرهای AVR را افزایش دهیم. اورکلاک کردن در دماهای پایین مشابه خنک‌کردن پردازنده‌های کامپیوتری با نیتروژن مایع است.

2) چرا باوجوداینکه میکروکنترلرهای سریع زیادی وجود دارد، برد آردوینو UNO (ATmega328P-based) را برای این کار انتخاب کردیم؟ زیرا برد آردوینو در بین گیک ها و آماتورها محبوبیت زیادی دارد. اما برای انجام پروژه‌های عملی، راحت‌تر و کم‌هزینه‌تر است که به‌جای اورکلاک کردن برد آردوینو، از میکروکنترلرهای مبتنی بر Cortex-M3/M4 یا FPGA استفاده کنید.

اورکلاک کردن میکروکنترلرها با خنک‌کننده نیتروژن مایع، سخت‌تر از اورکلاک کردن پردازنده‌های PC است؛ زیرا برای آن ها هیچ تست پایداری و هیچ ژنراتور فرکانس قابل پروگرام on-board (حداقل در میکروکنترلرهای AVR) و ولتاژ تغذیه قابل پروگرامی وجود ندارد و همه این موارد را مجبوریم خودمان تست کنیم.

نیتروژن مایع

نویسنده این مطلب می‌گوید:

نیتروژن مایع از هوا به دست می‌آید و می‌توان آن را به‌صورت گاز از هوا جدا کرد و سپس به مایع تبدیل کرد. برای جداسازی نیتروژن از هوا، می‌توان از فیلتر زئولیت استفاده کرد. همچنین، دستگاه‌هایی نیز وجود دارند که می‌توانند نیتروژن مایع از هوا تولید ‌کنند. در حال حاضر، هزینه برق برای تولید 1 لیتر نیتروژن مایع، حدود 0.15 تا 0.3 دلار است.

با وجود دمای بسیار پایینی که در نگهداری نیتروژن مایع استفاده می‌شود (196- درجه سانتی‌گراد یا 320- درجه فارنهایت)، می‌توان آن را در فلاسک‌های خلأ خانگی با جنس فولاد نگهداری کرد. (فلاسک‌های شیشه‌ای به دلیل تنش حرارتی ممکن است شکسته شوند). با اضافه‌کردن عایق حرارتی (+1 سانتی‌متر از یک ماده فومی و کیسه پلاستیکی)، می‌توان نیتروژن مایع را تا حدود 30 ساعت نگه داشت. همچنین، فلاسک‌های خلأ کرایوژنیک با حجم کم (حدود 5 لیتر)، می‌توانند نیتروژن مایع را تا حدود 25 روز نگه دارند. به یاد داشته باشید که نباید در ظرف حاوی نیتروژن مایع را بست؛ زیرا ممکن است به دلیل فشار زیاد، منفجر شود.

در سایت physics.stackexchange.com پیشنهاد شده است که ظروف حاوی نیتروژن مایع را از بالا تا پایین عایق‌بندی کنید تا نیتروژن تبخیر شده، دیواره خارجی ظرف را خنک کند.

تست استرس

برای نوشتن تست پایداری، شما باید تست خواندن/نوشتن SRAM، خواندن فلش، ریاضی محاسباتی و تست برنامه را انجام دهید. در زمان انجام تست‌ها، در هر مرحله مقدار چک‌سام به‌صورت تصادفی تغییر می‌کند، اما بعد از انجام چند مرحله، مقدار چک‌سام یکسان خواهد شد. شما می‌توانید تست استرس نهایی برای برد آردوینو (یا برای میکروکنترلرهای 8 بیتی دیگر) را از اینجا دانلود کنید.

نتایج این تست بر روی نمایشگر HD44780 LCD نمایش داده می‌شود که این نمایشگر معمولاً از طریق یک باس 4 بیتی متصل شده است. در مرحله بعد، باید شماره تکرار و چک سام Hexadecimal را تست کنید (برای اینکه مطمئن شوید که درست کار می‌کنند). تست پایداری شامل: تست‌های SRAM، فلش، ریاضی محاسباتی و تست برنامه می‌باشد. دو رقم اول چک سام مربوط به تست SRAM است و بعد از آن به ترتیب ارقام تست‌های فلش، ریاضیات و برنامه را نشان می‌دهد.

اگر همه چیز درست باشد، چک سام باید عدد 12345678 را نشان دهد. ذکر این نکته ضروری است که محاسبه خطا در چک سام وابسته به تست های دیگر است، یعنی اگر یک‌بار خطا رخ بدهد، دوباره باید تست را انجام دهید.

نتیجه تست از طریق چشمک‌زدن LED به رنگ نارنجی، روی برد نشان داده می‌شود. چشمک‌زدن یکنواخت LED به این معنا است که همه چیز درست پیش رفته است.

معمولاً در دمای حدود 100 درجه سانتی‌گراد، خطایی در تست برنامه رخ می‌دهد. همچنین، در دمای 196- درجه سانتی‌گراد نیز، خطایی در تست خواندن/نوشتن SRAM به وجود می‌آید.

نویسنده این مطلب می‌گوید:

مولد کلاک

معمولاً آردوینو از کریستال کوارتز خارجی برای کلاک استفاده می‌کند. کوارتز روی هارمونیک بنیادی اغلب 30 مگاهرتز و یا کمتر است، به این معنی که بدون ژنراتور کلاک خارجی، هیچ اورکلاک مناسبی انجام نمی‌شود.

نویسنده مطلب می گوید:

همچنین، فیوزها باید تغییر کنند تا بتوان از کلاک خارجی استفاده کرد که برای این کار به پروگرامر خارجی نیاز است. (پروگرامری که ما در این پروژه استفاده کردیم TL866CS MiniPro نام دارد) همچنین، می توانید از تعدادی ماژول LM2596 DCDC برای تنظیم ولتاژ تغذیه استفاده کرد.

شما باید ژنراتور سیگنال 100 مگاهرتز خود را بسازید. برای این کار، نیاز به محدوده فرکانس 16 تا 100 مگاهرتز  دارید. سپس باید در این محدوده فرکانس، یک شماتیک مناسب پیدا کنید. به نظر می‌رسد که ژنراتور مبتنی بر TTL لاجیک، در فرکانس‌های بسیار پایین یا در فرکانس‌های بسیار بالا ناپایدار است (بعضی از پالس‌ها به طور تصادفی کوتاه‌تر یا بلندتر هستند).

در شماتیک زیر، هدف R1، حذف (termination) سریال partial برای محدودکردن اورشوت سیگنال کلاک در میکروکنترلر است. برای این کار، ژنراتور می‌تواند از سری‌های منطقی AC، LVC و VHC استفاده کند که HC بسیار کندتر از دوتای دیگر است (حداکثر فرکانس: 50 مگاهرتز).

نویسنده مطلب می‌گوید:

در دماهای بسیار پایین برای قطعات الکترونیکی چه اتفاقی می‌افتد؟

در دمای 196- درجه سانتی‌گراد یا 320- درجه فارنهایت، مقاومت فلزات به طور چشمگیری کاهش می‌یابد. برای مثال، برخی از کویل‌های مسی در دمای اتاق دارای مقاومت 56.3 اهم و در LN2 دارای مقاومت 6.6 اهم هستند. (افت ضریب 8.5)

خازن‌های الکترولیتی، ظرفیت خازن را با ضریب 100000-500000 کاهش می‌دهند (یعنی تقریباً تا مقدار 0). خازن‌های سرامیکی با مواد دی‌الکتریک مختلفی در دسترس هستند که پایداری ظرفیت آن‌ها را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد. خازن های سرامیکی Y5V ارزان‌قیمت هستند و چگالی ظرفیت بالایی دارند، اما این خازن‌ها در طول زمان و با تغییرات دما، تمام ظرفیت خود را از دست می‌دهند. خازن های سرامیکی X7R از نظر قیمتی، گران‌تر هستند، اما در عوض، حدود دو سوم ظرفیت خود را از دست می‌دهند. همچنین، خازن سراميکی NP0 فقط حدود 1٪ ظرفيت خود را از دست مي‌دهد.

اگر برد دارای خازن‌های بای پس منبع تغذيه Y5V باشد، به علت کمبود decoupling، پایداري خود را از دست می‌دهد. با گرم‌کردن خازن تا دمای 100 تا 150 درجه سانتی‌گراد، می‌توان مواد دی‌الکتریک را آزمایش كرد. ظرفيت خازن نیز به همین روش تغيير می‌کند.

بعد از خنک‌شدن دستگاه جهت اطمینان از محکم‌بودن، خازن‌های X7R و NP0 را مستقیماً روی پین‌های VCC/GND میکروکنترلر AVR لحیم کنید. (هر چند در دمای اتاق فرکانس پایدار را افزایش نمی‌یابد).

افزایش باند گپ در نیمه‌هادی‌ها (نیمه‌رساناها) باعث تغییراتی در حرکت الکترون‌ها می‌شود و این، یک فرایند غیرخطی است. برای مثال، دیودهای سیلیکونی دارای افت ولتاژ فوروارد 1.1 ولت به جای 0.6-0.7 ولت خواهند بود. این تأثیر به شدت بر عملکرد مدارات مجتمع آنالوگ تأثیر می‌گذارد.

یکی دیگر از پیامدهای افزایش باند گپ در نیمه‌هادی‌ها، تغییر رنگ LEDها به سمت موج کوتاه‌تر است. این موضوع به‌خصوص برای LEDهای زرد و نارنجی قابل‌مشاهده است؛ زمانی که LEDها به ولتاژ بالایی نیاز دارند، رنگشان به سبز و یا رنگ های روشن تر تبدیل می شود.

چرا میکروچیپ های CMOS وقتی خنک می‌شوند سریع‌تر کار می‌کنند؟

 سرعت میکروچیپ های CMOS معمولا با توجه به سرعت توان ترانزیستورها برای شارژ کردن ظرفیت خازنی المان های پارازیتی (ظرفیت خازن های به هم متصل شده و ظرفیت خازنی خازن های گیت) که توسط مقاومت یا اندوکتانس پارازیتی سیم ها، مشخص می شود؛ زمانی که میکروچیپ های CMOS خنک هستند، مقاومت سیم ها کاهش پیدا می کند و در نتیجه، میکروچیپ CMOS می تواند در فرکانس بالاتری کار کند.

نیتروژن مایع به اورکلاک کردن کمک می کند اما نه به دلیل از بین بردن حرارت (در واقع آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا، برای کاهش دما بسیار بهتر از نیتروژن مایع عمل می کند.)
نیتروژن کمک می کند که میکروکنترلر بتواند در دمای بسیار پایین کار کند و این امر موجب بهبود پارامترهای میکروچیپ های CMOS می گردد.

شروع اورکلاک کردن

پس از انجام مراحل بالا، حالا نوبت به آورکلاک کردن رسید!
در این مرحله، همه تجهیزات را روشن می کنیم و به آرامی نیتروژن مایع را روی برد می ریزیم، ولی مشاهده می کنیم بک لایت LCD کم رنگ می شود! پس از چند لحظه خود برد هم دیگر کار نمی کند. زمانی که برد را از نیتروژن مایع خارج می کنید می بینید که آنقدرها هم دمای برد پایین نبوده و شما احتمالا به سختی به فرکانس 45 مگاهرتز رسیدید.
اما دلیل چیست؟

زمانی که برد را در نیتروژن مایع قرار می دهید، برد از کار می‌افتد و سپس چند لحظه بعد با گرم تر شدن برد شروع به کار می‌کند، دلیل این اتفاق brown-out detection می باشد، که شما می توانید این قابلیت را غیر فعال کنید تا از بروز این اتفاق جلوگیری کنید. پس از قطع کردن brown-out detection و قرارگرفتن در نیتروژن مایع، برد شما به راحتی شروع به کار می کند. مشکل دیگری که هنگام قرار دادن برد در نیتروژن مایع رخ می دهد، ضعیف شدن بک لایت LCD می باشد. اما راه دلیل آن چیست؟
راه حل آن، اتصال پین بک لایت LCD به کانکتور 3.3+ ولتی روی برد آردوینو که به یک رگولاتور خطی متصل است، می باشد. ظاهراً مدار حفاظتی این رگولاتور به‌صورت ناخواسته کار می‌کند یا ولتاژ خروجی آن برای روشن‌شدن LED بسیار کم است.

نویسنده مطلب می‌گوید:

نتایج:

نتایج این تست عبارت است از:

• فرکانس پایدار برد آردوینو UNO با میکروکنترلر ATmega328P و ولتاژ تغذیه 8 ولت، در دمای پایین و با استفاده از نیتروژن مایع، برابر با 65.3 مگاهرتز است، درحالی‌که فرکانس پایدار این برد در دمای اتاق، بین 32.5 تا 37 مگاهرتز می باشد. همچنین، باید توجه داشت که میکروکنترلر AVR قادر به تحمل ولتاژ تغذیه 8 ولت به مدت محدودی است.
• فلزات، به میزان زیادی مقاومت را کاهش می‌دهند (با ضریب 8.5)، خازن‌ها به طور چشمگیری ظرفیت خازن را کاهش می‌دهند (الکترولیتی، خازن های سرامیکی Y5V – با ضریب 1000، X7R 2/3). همچنین، NP0 حدود 1٪ است. با کاهش دما، باند گپ نیمه‌هادی‌ها افزایش می‌یابد، افت ولتاژ فوروارد می‌شود، رنگ LED تغییر می‌کند و همچنین، تغییرات زیادی در عملکرد مدارهای آنالوگ ایجاد می شود.
• هنگام اورکلاک کردن پردازنده‌های دسکتاپ، باید مراقب باشید که خازن‌ها را تا دمای کمتر از 0 درجه سانتی‌گراد خنک نکنید. در غیر این صورت، CPU به دلیل عدم decoupling منبع تغذیه، ثبات خود را از دست می‌دهد؛ بنابراین، در کل باید مراقب باشید که خازن‌ها را در دمای مناسب نگه دارید.
• برد آردوینو، بعد از اورکلاک کردن و خنک‌شدن با نیتروژن مایع، بدون هیچ‌گونه مشکلی کار کرد و همچنین، پس از گرم‌شدن و خشک‌شدن نیز آسیبی ندید.

منبع: https://3.14.by/en/read/arduino-liquid-nitrogen-overclocking