İşlemci neden ısınıyor?

16

Hesaplama işleminin işlemcinin nasıl ısınmasına neden olduğunu anlamak istiyorum. Isının transistörler tarafından üretildiğini anlıyorum.

Transistörler ısıyı tam olarak nasıl üretir?
Yonga sayısı ve üretilen ısı arasındaki korelasyon doğrusal mı?
CPU üreticileri üretilen ısıyı en aza indirmek için tek transistörlerin konumlarını optimize ediyor mu?

— syntagma
kaynak

Anahtarlama kasalarının ısısı ve dolayısıyla saat hızı da üretilen ısı ile doğrudan ilişkilidir.

— nidhin

5

Pratikte, gerçek çipler, cevaplarda belirtildiği gibi, elektriğin dirençli bir iletken yoluyla hareketi nedeniyle ısınır. Ancak bu konu sizi ilgilendiriyorsa , ikili bilgilerin yaratılmasının kendisinin mutlaka atık ısı oluşturulmasını nasıl gerektirdiğini okumak isteyebilirsiniz ; Çok fazla fizik gerektirmeyen güzel bir makale burada bulunabilir plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Eric Lippert

Düzgün cevaplamak için matematik yok (ve Eric'in yorumunu detaylandırıyorum), ancak bu soru için kuantum hesaplama ve tersinir kapılarda etkileri var . "Geri dönüşü olmayan bit işlemi başına harcanan kT ln (2) enerjisi" vardır. Bölüm Landauer en prensibi . Varsa (A & B), bunun iki girişi ve bir çıkışı vardır. Bu süreçte kaybolan bu bilgi bir yere gitmeli ve entropi (ısı) haline gelmelidir ... bunu açıklamak için yeterince anladığımı varsayarak.

25

Bir transistör (modern IC'lerde FET) asla tam KAPALI durumdan tam AÇIK konuma geçmez. FET'in bir direnç gibi davrandığı veya açıldığı bir süre vardır (tamamen AÇIK olsa bile hala bir direnci vardır).

$P=I^2R$ $P=\frac{V^2}{R}$

Transistörler ne kadar çok geçiş yaparsa o dirençli durumda daha fazla zaman harcarlar, bu nedenle daha fazla ısı üretir. Bu nedenle üretilen ısı miktarı transistörlerin sayısı ile doğru orantılı olabilir - ancak aynı zamanda hangi transistörlerin ne zaman ve ne yaptığını ve bu da çipin ne yapılacağına bağlıdır.

Evet, üreticiler, bloğun üretebileceği ısıya bağlı olarak, belirli alanlarda tasarımlarının belirli bloklarını (tek tek transistörler değil, tam bir fonksiyon oluşturan bloklar) konumlandırabilir - ya daha iyi ısı bağı olan bir yere yerleştirmek veya yerleştirmek ısı üretebilecek başka bir bloktan uzağa. Ayrıca çip içindeki güç dağılımını da hesaba katmaları gerekir, bu nedenle blokları keyfi olarak yerleştirmek her zaman mümkün olmayabilir, bu yüzden bir uzlaşmaya varmaları gerekir.

— Majenko
kaynak

Bir CPU'da ısı üretimine katkıda bulunan birçok çok faktör vardır. Bu cevabın en sevdiğiniz cevaptan bahsetmemesi yanlış olduğu anlamına gelmez. Mükemmel geçerli cevapları aşağı oylama yerine kendi cevabınızı yazmaya çalışmanızı öneririm. Eğer bundan daha iyiyse, topluluk karar verecek ve daha fazla oy alacak.

— Majenko

1

Bu yüzden insanlara oylarını benim yerine koymak için daha iyi bir cevap vererek önyargılı olun.

— Majenko

Yapacağım, ama bir süre için zamanım olmayacak (gün). Şimdilik, ısının dirençli kayıplardan kaynaklandığını kabul ediyorum. Ancak cevabınızın çok derin bir anlayış verdiğini düşünmüyorum.

— HKOB

21

Süperiletken olmayan bir şeydeki tüm akım akışı ısı üretir. Cipslerde, çoğunlukla alüminyum "metal" katmanlarda akar (neden bakır değil? Silikonun diğer kısımlarıyla kötü kimyasal etkileşim, ortaya çıkıyor).

Akımın akmasına neden olan nedir? Bir transistörün durumu her değiştiğinde, bu, telden şarj / deşarj ve önceki kapının FET çıkışını sağlayan bir kapasitör (tahrik edilen mantık geçidinin FET geçidi artı parazitik tel kapasitansı) olarak modellenebilir. Bu "anahtarlama" veya "dinamik" güçtür. Anahtarlama hızı ve voltajın karesi ile orantılıdır ; dolayısıyla daha iyi verim için 5V ila 3.3V ila 1.8V arası tahrik.

İzolatörler mükemmel değildir ve bazı yerlerde çok incedir. Transistörler tam olarak "kapalı" olmayabilir. Bir FET'in megaohm direnci kapalı ise ve bir milyonunu paralel olarak koyarsanız, 1 ohm'luk bir direnç gibi görünür. Bu "sızıntı" gücüdür. Transistör sayısı ile orantılıdır.

On yılını başlangıçta güç optimizasyonu üzerine çalışarak geçirdim. :) Bir çok teknik var: hız / sızıntı dengesi ("yüksek k metal kapı"), devrenin parçalarını tamamen kapatmak, saat kapıları, saat frekansının azaltılması, boyutlandırma ve yerleştirme.

— pjc50
kaynak

Bugünkü yüksek performanslı mikro işlemcilerin aslında yapmak silikon ile reaksiyona bakır önlemek için diğer metallerin ince tabakalar, bakır ve ara bağlantılar. Alüminyum, daha az karmaşık ve daha büyük proses yongalarında hala kullanılmaktadır, çünkü çalışmak çok daha az karmaşıktır.

— hobbs

0

1) Akım akışı olduğunda, elektronların çarpışmasıyla ısı oluşur. 2) Evet, genellikle, korelasyon doğrusaldır. 3) CPU üreticilerinin üretilen ısıyı en aza indirmek için ayrı transistörlerin pozisyonlarını optimize etmeleri pek olası değildir (hepsi aynı kasanın içindedir ).
Bir CPU "boşta" olduğunda, minimum miktarda akım kullansa da, ısı üretir. İşlemci bilgileri "işlemeye" başladığında, tekli transistörler durum değiştirir. Bu anahtarlama ayrıca ısı üretir. Ek olarak, anahtarlama frekansı ısı üretim hızını etkiler, frekans ne kadar yüksekse ısı üretim oranı o kadar yüksek olur. Çipin ısı yayma kapasitesi sabit olduğundan, çalışmak için tasarlandığından daha yüksek bir frekansta çalıştırılırsa aşırı ısınabilir.

— Guill
kaynak

0

joule yasasına göre, elektron iletkenden ne zaman akarsa, malzemenin direnci nedeniyle üretilen ısının her iletkende bir miktar dirence sahip olduğunu biliyoruz.

— Abhay
kaynak