Warum steigt die Wärmeerzeugung mit zunehmender Taktrate einer CPU?

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Die ganze Multicore-Debatte hat mich zum Nachdenken gebracht.

Es ist viel einfacher, zwei Kerne (in einem Paket) zu produzieren, als einen Kern um den Faktor zwei zu beschleunigen. Warum genau ist das so? Ich habe ein bisschen gegoogelt, aber meistens sehr ungenaue Antworten von Overclocking-Boards gefunden, die die zugrunde liegende Physik nicht erklären.

Die Spannung scheint den größten Einfluss zu haben (quadratisch), aber muss ich eine CPU mit höherer Spannung betreiben, wenn ich eine schnellere Taktrate möchte? Ich möchte auch wissen, warum genau (und wie viel) Wärme ein Halbleiterschaltkreis erzeugt, wenn er mit einer bestimmten Taktgeschwindigkeit läuft.

cpu-architecture Nils
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gibt es eine Multi-Core-Debatte? Ich dachte, Murphys Gesetz sei abgelaufen und die Comp-Arch-Leute könnten nichts anderes finden, was sie tun könnten.
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Moores Gesetz. Murphys Gesetz wird nur im schlimmsten Moment ausgehen. :-)
O. Jones
Garys Kommentar enthält jedoch ein Element der Wahrheit. Zu diesem Zeitpunkt sind die Transistorzahlen so hoch, dass Entwickler bei größeren CPUs alles auf den Kopf stellen können, anstatt auswählen zu müssen, und das Hinzufügen von Cache führt schließlich zu sinkenden Renditen. Die Zuwächse von 10 bis 20% bei neuen Architekturen deuten darauf hin, dass die Designer die Leistung immer noch optimieren, aber wahrscheinlich gibt es nichts Revolutionäres mehr, das implementiert werden könnte, wenn mehr Transistoren zur Verfügung stünden.
Dan Neely

Antworten:

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Jedes Mal, wenn die Uhr tickt, laden oder entladen Sie eine Reihe von Kondensatoren. Die Energie zum Laden eines Kondensators beträgt:

E = 1/2*C*V^2

Wo Cist die Kapazität und Vist die Spannung, auf die es geladen wurde.

Wenn Ihre Frequenz ist f[Hz], dann haben Sie fZyklen pro Sekunde und Ihre Leistung ist:

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

Deshalb steigt die Leistung linear mit der Frequenz an.

Sie können sehen, dass es quadratisch mit der Spannung steigt. Aus diesem Grund möchten Sie immer mit der niedrigstmöglichen Spannung arbeiten. Wenn Sie jedoch die Frequenz erhöhen möchten, müssen Sie auch die Spannung erhöhen, da höhere Frequenzen höhere Betriebsspannungen erfordern, sodass die Spannung linear mit der Frequenz ansteigt.

Aus diesem Grund steigt die Leistung gerne f^3(oder gerne V^3) an.

Wenn Sie nun die Anzahl der Kerne erhöhen, erhöhen Sie im Grunde genommen die Kapazität C. Dies ist unabhängig von der Spannung und der Frequenz, so dass die Leistung linear mit ansteigt C. Aus diesem Grund ist es energieeffizienter, die Anzahl der Kerne zu erhöhen, um die Frequenz zu erhöhen.

Warum müssen Sie die Spannung erhöhen, um die Frequenz zu erhöhen? Nun, die Spannung eines Kondensators ändert sich entsprechend:

dV/dt = I/C

Wo Iist der Strom? Je höher der Strom, desto schneller können Sie die Gate-Kapazität des Transistors auf seine "Ein" -Spannung aufladen (die "Ein" -Spannung hängt nicht von der Betriebsspannung ab) und desto schneller können Sie den Transistor einschalten. Der Strom steigt linear mit der Betriebsspannung an. Deshalb müssen Sie die Spannung erhöhen, um die Frequenz zu erhöhen.

Nathan Fellman
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Transistoren haben eine dynamische Kapazität. Um einen Transistor "zu öffnen", muss dessen Gate-Kapazität aufgeladen werden.
Nathan Fellman
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Ich bin nicht einmal in die Leckage gegangen, aber das funktioniert so ziemlich genauso. Es ist mehr wie eine Art Widerstand und weniger wie ein Kondensator, also verbraucht es Leistung basierend auf v ^ 2 / r bei derselben Frequenz f.
Nathan Fellman
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Du liegst falsch. Es geht zu 100% um Kapazität. Die Kapazität wird über den Source-Drain-Widerstand geladen und entladen. Dies ist definitiv kein Verlust, sondern sie verbraucht die Energie, die Sie für das Laden und Entladen der Kondensatoren aufgewendet haben. Auch nicht, dass dies in irgendeiner Weise keine idealen Kondensatoren sind. Zuallererst handelt es sich um reale Kondensatoren, zuallererst um MOS-Kondensatoren, deren Verhalten sich stark von normalen Kondensatoren unterscheidet, schon allein, weil ihre Kapazität von der aktuellen Spannung abhängt.
Nathan Fellman
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ok ... kapazität hat nichts mit wärmeumwandlung zu tun, sondern mit energieverbrauch, da man 1 / 2CV ^ 2 investieren muss, um den kondensator aufzuladen. Diese Energie kommt von einer Stromquelle. Jedes Mal, wenn Sie den Kondensator aufladen, verbrauchen Sie 1 / 2CV ^ 2 von dieser Quelle. Es gibt nichts, was diese Quelle davon abhält, sich aufzuheizen. Die Kapazität an sich ist nicht schuld. Die Umgebung, in der sich der Kondensator befindet, ist schuld.
Nathan Fellman
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@ Gary Sie geben der Kapazität die Schuld, weil die Hitze mit der Kapazität skaliert. Angenommen, Sie müssen die Spannung an einem Transistor von 0,2 V auf 0,75 V in einer Milliardstel Sekunde von einer 0,9-V-Quelle erhöhen. Die Leistung, die Sie dafür verwenden, hängt linear vom Widerstand ab, den der Strom durchlaufen muss, und von der Kapazität des Gates. Wenn die Kapazität Null wäre, müsste kein Strom durch den Widerstand fließen.
David Schwartz
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Ganz grundsätzlich:

  • Ein Transistor schaltet schneller, wenn Sie mehr Spannung an ihn anlegen.
  • Ein moderner IC verbraucht die meiste Energie, wenn er von einem Zustand in den nächsten wechselt (auf der Uhr tickt), verbraucht aber keine Energie, um im selben Zustand zu bleiben (naja, es gibt ein Leck, also nicht genau keine Energie). Je schneller Sie umschalten, desto schneller Je mehr Schalter Sie pro Sekunde haben, desto mehr Strom verbrauchen Sie.

Ein sehr gutes Buch über alle Details der Prozessorarchitektur: Computerorganisation und -design von David A. Patterson, John L. Hennessy.

Guillaume
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Das ist ein klassisches Buch.
Ist das der Gouverneur des Staates New York?
Nathan Fellman
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Jedes Mal, wenn ein Transistor den Zustand wechselt, wird Strom verbraucht. Höhere Frequenzen bedeuten schnelleres Schalten, mehr Stromverbrauch. Und die Impedanz von allem wandelt es in Wärme um. P = I ^ 2 * R und so weiter. Und P ist V ^ 2 / R. In diesem Fall möchten Sie jedoch wirklich, dass das durchschnittliche V und ich im Laufe der Zeit berechnet werden können und dass es quadratisch zu Spannung und Strom ist.

gtrak
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Die Leckage ist weniger signifikant als die tatsächliche Schaltleistung.
Nathan Fellman
Entschuldigung, ich werde "durchgesickert" in "verschwendet" ändern
"Und die Impedanz von allem wandelt es in Wärme um" - eigentlich nicht die Impedanz. Nur der Widerstand. Die Imaginärteile der Impedanz werden nicht in Wärme umgewandelt.
Nathan Fellman
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1) zwei Kerne im Vergleich zur Beschleunigung eines Kerns
Um einen Kern zu beschleunigen, ist eine neue Technologie erforderlich, mit der die Transistoren schneller von einem Zustand in einen anderen wechseln können. Um einen weiteren Kern hinzuzufügen, benötigen Sie nur mehr der gleichen Transistoren.

2) Wärme
Die Verlustleistung erfolgt in Form von Wärme. Leistung = Spannung * Strom. Spannung = Widerstand * Strom. Leistung = Spannung ^ 2 / Widerstand. Die abgegebene Wärme ist also proportional zum Quadrat der Spannung.

Robert
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Ja, ich weiß, dass die Hitze quadratisch mit der Spannung ansteigt. Was ich nicht verstehe, ist, welchen Einfluss die Spannung auf die Taktrate hat. Benötige ich eine höhere Spannung für eine höhere Taktrate?
Ich weiß, dass die PICs des Microchips ein Diagramm für Spannung gegen Frequenz haben. Es gibt eine minimale Spannung, die der Chip bei einer niedrigen Frequenz laufen lässt. Es ist eine lineare Skala für die maximale Spannung und die maximale Frequenz.
Robert
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@Nils, höhere Spannung führt zu schärferen und weniger mehrdeutigen Übergängen und Zuständen, und es ist wahrscheinlicher, dass eine 1 als 1 und nicht als 0 interpretiert wird. Bei höherer Frequenz werden Übergänge weniger quadratisch. Denken Sie daran, dass es keine Rechteckwellen gibt.
Sie meinen, mehr Platz
Nathan Fellman
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Nun, in der elektrischen Energie gibt es zwei Arten von Energie, Blindleistung und Wirkleistung. Manche Leute nennen Blindleistung dynamische Leistung. Blindleistung wird niemals verbraucht oder geht verloren. Wenn beispielsweise ein idealer Kondensator über verlustfreie Leitungen mit einer Wechselspannungsquelle verbunden ist, lädt und entlädt sich der Kondensator, entnimmt dem Generator in einem Zyklus Energie und gibt im nächsten Zyklus Energie an den Generator zurück. Der Nettoverlust beträgt null.

Wenn die Drähte jedoch nicht ideal und resistiv sind, wird während des Ladens und Entladens des Kondensators Energie in den Drähten abgeleitet. Diese Verlustleistung ist ein echter Leistungsverlust und kann nicht wiederhergestellt werden. Wenn die Taktrate ansteigt, steigt die Lade- und Entladerate, was den Leistungsverlust in den Drähten erhöht.

Die Gates von Transistoren verhalten sich wie Kondensatoren. Mit zunehmender Taktrate wird mehr Blindleistung an die Kondensatoren abgegeben. Der Anteil, der in den Widerstandsdrähten verloren geht, steigt ebenfalls an.

Weng Cho
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Eine Sache, die bisher nicht erwähnt wurde - Chips werden schneller und der Lithografieprozess, um sie zu verkleinern, verkleinert Komponenten. Sie sind so klein geworden, dass sie in einigen Fällen ein paar Atome breit sind. Jetzt tritt ein erheblicher Stromverlust auf, der im Allgemeinen als Wärme abgeführt wird.

Reiche Homolka
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Das schnelle Umschalten eines Stromkreises erfordert mehr Strom als das langsame Umschalten. Um diesen Strom zu erreichen, benötigen Sie eine höhere Spannung und / oder größere, leistungsstärkere Komponenten. Und natürlich benötigen größere Komponenten mehr Antriebsstrom und verursachen einen Schneeballeffekt.

(Interessanterweise gab es einen Artikel im neuesten Scientific American (Juli 2011), der dieses Thema für das menschliche Gehirn behandelt. Dieselben Prinzipien und eine Möglichkeit, wie das menschliche Gehirn mehr Leistung bringt, besteht darin, das Gehirn in separate Subprozessoren zu unterteilen. sozusagen.)

Daniel R Hicks
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