Bir CPU'nun saat hızı arttıkça ısı üretimi neden artıyor?

Tüm çok çekirdekli tartışmalar beni düşündürdü.

İki çekirdeği (bir pakette) üretmek daha sonra bir çekirdeği iki kat hızlandırır. Neden tam olarak bu? Biraz googledim, ancak altta yatan Fiziği açıklamayan saatli panolardan çoğunlukla çok kesin olmayan cevaplar buldum.

Gerilim en çok etkiye sahip (kuadratik) gibi görünüyor, ancak daha hızlı bir saat hızı istersem CPU'yu daha yüksek voltajda çalıştırmam gerekir mi? Ayrıca, yarı iletken bir devrenin neden belirli bir saat hızında çalıştığında tam olarak (ve ne kadar) ısındığını bilmek isterim.

Saat her başladığında bir grup kapasitörü şarj ediyor veya deşarj ediyorsunuz. Bir kondansatörü şarj etmek için enerji:

E = 1/2*C*V^2

CKapasitans ve Vşarj edildiği voltaj nerede .

Frekansınız ise f[Hz], fsaniyede deviriniz olur ve gücünüz:

P = f*E = 1/2*C*V^2*f

Güç bu yüzden frekansla doğrusal olarak yükselir.

Voltajla kuadratik olarak yükseldiğini görebilirsiniz. Bu nedenle, her zaman mümkün olan en düşük voltajda çalışmak istersiniz. Ancak, frekansı yükseltmek istiyorsanız, voltajı da yükseltmeniz gerekir, çünkü daha yüksek frekanslar daha yüksek çalışma voltajları gerektirir, bu nedenle voltaj frekansla doğrusal olarak yükselir.

Bu nedenle, güç gibi yükselir f^3(ya da beğenir V^3).

Şimdi, çekirdek sayısını artırdığınızda, temel olarak kapasitansı artırıyorsunuz C. Bu voltaj ve frekanstan bağımsızdır, bu nedenle güç doğrusal olarak artar C. Bu nedenle, frekansı arttırmak için gereken çekirdek sayısını arttırmak daha fazla güç verimlidir.

Frekansı artırmak için neden voltajı artırmanız gerekiyor? Bir kapasitörün voltajı aşağıdakilere göre değişir:

dV/dt = I/C

Iakım nerede . Bu nedenle, akım ne kadar yüksek olursa, transistörün kapı kapasitansını "açık" voltajına ("açık" voltajı çalışma voltajına bağlı değildir) daha hızlı şarj edebilirsiniz ve transistörü daha hızlı açabilirsiniz. Akım, çalışma voltajı ile doğrusal olarak yükselir. Bu yüzden frekansı arttırmak için voltajı artırmanız gerekir.

Çok temel olarak:

• Transistör, daha fazla voltaj uyguladığınızda daha hızlı geçiş yapar.
• Modern IC, bir durumdan diğerine (saat kenarı) girerken çoğu gücü tüketir, ancak aynı durumda kalmak için hiçbir güç tüketmez (iyi, sızıntı yoktur, bu yüzden tam olarak güç yoktur), böylece daha hızlı geçiş yaparsanız, saniyede daha fazla anahtar, daha fazla güç tüketir.

İşlemci mimarisinin tüm detayları hakkında çok iyi bir kitap: David A. Patterson tarafından bilgisayar organizasyonu ve tasarımı, John L. Hennessy.

Bir transistörün durumu her değiştiğinde, akım harcanır. Daha yüksek frekans, daha hızlı anahtarlama, daha fazla akım kaybı anlamına gelir. Ve her şeyin empedansı onu ısıya dönüştürür. P = I ^ 2 * R ve hepsi. Ve P, V ^ 2 / R'dir. Bu durumda, zaman içinde ortalama V ve I'nin hesaplayabilmesini gerçekten istersiniz ve her ikisi de voltaj ve akım için ikinci dereceden olurdu.

1) İki çekirdek ve bir çekirdeği hızlandırma Bir çekirdeği hızlandırmak için
, bir durumdan diğerine geçiş yapan transistörleri hızlandırmak için yeni teknolojiye ihtiyacınız vardır. Başka bir çekirdek eklemek için aynı transistörlerden daha fazlasına ihtiyacınız var.

2) Isı
Güç tüketimi ısı biçimindedir. Güç = Gerilim * Akım. Voltaj = Rezistans * Akım. Güç = Gerilim ^ 2 / Direnç. Böylece, dağıtılan ısı, karenin voltajı ile orantılıdır.

Elektrik gücünde iki çeşit güç vardır, reaktif güç ve gerçek güç. Bazı insanlar reaktif güce dinamik güç derler. Reaktif güç asla tüketilmez veya kaybolmaz. Örneğin, ideal bir kapasitör bir AC voltaj kaynağına ideal kayıpsız kablolarla bağlanırsa, kapasitör şarj olur ve deşarj olur, jeneratörden bir döngüde enerji alır ve bir sonraki döngüde jeneratöre enerji verir. Net kayıp sıfırdır.

Ancak, kablolar ideal değilse ve dirençliyse, kapasitörün şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında kablolarda enerji dağılır. Bu harcanan güç gerçek güç kaybıdır ve geri kazanılamaz. Saat hızı arttıkça, şarj ve deşarj oranı artar, bu da kablolardaki güç kaybını artırır.

Transistörlerin kapıları kapasitörler gibi davranır. Saat hızı arttıkça, kapasitörlere daha reaktif güç verilir. Rezistif tellerde fraksiyonu kaybolur.

Şimdiye kadar bahsedilmeyen bir şey var - cipsler daha hızlı hale geliyor ve litografi işlemi onları daha küçük hale getiriyor. Öyle küçükler ki, bazı durumlarda birkaç atom genişliğine sahipler. Şu anda, genel olarak ısı olarak dağılan önemli akım kaçağı var.

Devrenin durumunu hızlı bir şekilde değiştirmek, yavaşça değiştirmekten daha fazla akım gerektirir. Bu akımı elde etmek için daha yüksek bir gerilime ve / veya daha büyük, daha fazla susuzluğa sahip bileşenlere ihtiyacınız vardır. Ve elbette, daha büyük bileşenler daha fazla sürücü akımına ihtiyaç duyar ve bu da bir kartopu etkisine neden olur.

(İlginç bir şekilde, en son Scientific American'da (Temmuz 2011) insan beyni için bu konuyu kapsayan bir makale vardı. Aynı prensipler ve insan beyninin daha fazla güce sahip olmasının bir yolu, beyni alt işlemcilere ayırmaktır, tabiri caizse.)