ทำไมการผลิตความร้อนเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาของ CPU เพิ่มขึ้น?

การอภิปรายแบบมัลติคอร์ทั้งหมดทำให้ฉันคิด

มันง่ายกว่ามากในการผลิตสองคอร์ (ในหนึ่งแพ็คเกจ) จากนั้นเร่งความเร็วคอร์หนึ่งแกนโดยใช้สองปัจจัย ทำไมถึงเป็นอย่างนี้ ฉัน googled เล็กน้อย แต่พบว่าส่วนใหญ่คำตอบที่ไม่แม่นยำมากจากกระดานตอกบัตรซึ่งไม่ได้อธิบายฟิสิกส์พื้นฐาน

แรงดันไฟฟ้าดูเหมือนว่าจะมีผลกระทบมากที่สุด (สมการกำลังสอง) แต่ฉันต้องใช้ CPU ที่แรงดันสูงกว่าหรือไม่ถ้าฉันต้องการอัตราสัญญาณนาฬิกาที่เร็วขึ้น? นอกจากนี้ฉันชอบที่จะรู้ว่าทำไมวงจรเซมิคอนดักเตอร์เกิดความร้อน (และเท่าไร) เมื่อมันวิ่งด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่แน่นอน

ทุกครั้งที่นาฬิกาติ๊กคุณกำลังชาร์จหรือคายประจุประจุจำนวนมาก พลังงานสำหรับการชาร์จตัวเก็บประจุคือ:

E = 1/2*C*V^2

อยู่ที่ไหนCประจุและVเป็นแรงดันที่มันถูกเรียกเก็บ

หากความถี่ของคุณคือf[Hz]คุณมีfรอบต่อวินาทีและพลังงานของคุณคือ:

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

นั่นคือเหตุผลที่พลังงานเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงพร้อมกับความถี่

คุณจะเห็นว่ามันขึ้นกับสมการกำลังสอง ด้วยเหตุนี้คุณจึงต้องการเรียกใช้ที่แรงดันต่ำสุดเท่าที่จะทำได้ อย่างไรก็ตามหากคุณต้องการเพิ่มความถี่คุณต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากความถี่ที่สูงขึ้นนั้นต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นดังนั้นแรงดันไฟฟ้าจึงเพิ่มขึ้นเป็นแนวตรงกับความถี่

ด้วยเหตุนี้พลังจึงเพิ่มขึ้นเช่นf^3(หรือชอบV^3)

ตอนนี้เมื่อคุณเพิ่มจำนวนของแกน, Cคุณพื้นการเพิ่มความจุ Cนี้มีความเป็นอิสระของแรงดันไฟฟ้าและความถี่เพื่อให้พลังงานที่เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อเพิ่มจำนวนคอร์ที่จะเพิ่มความถี่

ทำไมคุณต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความถี่ ทีนี้แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเปลี่ยนแปลงตาม:

dV/dt = I/C

ที่Iเป็นปัจจุบัน ดังนั้นยิ่งกระแสสูงเท่าไรคุณก็ยิ่งสามารถชาร์จประจุของเกตของทรานซิสเตอร์ให้เป็นแรงดัน "เปิด" (แรงดัน "เปิด" ไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการ) และยิ่งคุณเปิดสวิตช์ทรานซิสเตอร์ได้เร็วขึ้น กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงด้วยแรงดันไฟฟ้า นั่นเป็นเหตุผลที่คุณต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเพื่อเพิ่มความถี่

โดยทั่วไปแล้ว:

• ทรานซิสเตอร์จะสลับเร็วขึ้นเมื่อคุณใช้แรงดันไฟฟ้ามากขึ้น
• IC สมัยใหม่กินพลังงานส่วนใหญ่เมื่อ swithing จากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่ง (บนนาฬิกาติ๊ก) แต่กินพลังงานไม่ให้อยู่ในสถานะเดียวกัน (ดีมีการรั่วไหล คุณมีสวิทช์ต่อวินาทีมากขึ้นเท่านั้น

หนังสือที่ดีมากเกี่ยวกับรายละเอียดทั้งหมดของสถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์: การจัดระเบียบคอมพิวเตอร์และการออกแบบโดย David A. Patterson, John L. Hennessy

ทุกครั้งที่ทรานซิสเตอร์สลับสถานะจะใช้กระแสไฟฟ้า ความถี่ที่สูงขึ้นหมายถึงการสลับที่เร็วกว่าและเสียปัจจุบันมากกว่า และความต้านทานของทุกสิ่งเปลี่ยนเป็นความร้อน P = I ^ 2 * R และทั้งหมดนั้น และ P คือ V ^ 2 / R ในกรณีนี้คุณจะต้องการค่าเฉลี่ย V และฉันเมื่อเวลาผ่านไปเพื่อคำนวณและมันจะเป็นกำลังสองกับแรงดันและกระแสทั้งสอง

1) สองคอร์เมื่อเทียบกับการเร่งขึ้นหนึ่งคอร์
เพื่อเพิ่มความเร็วในคอร์หนึ่งคุณต้องใช้เทคโนโลยีใหม่เพื่อเพิ่มความเร็วในการสลับทรานซิสเตอร์จากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง หากต้องการเพิ่มคอร์อื่นคุณต้องมีทรานซิสเตอร์เดียวกันมากกว่าเดิม

2) ความร้อน
การกระจายพลังงานอยู่ในรูปของความร้อน กำลังไฟ = แรงดันไฟฟ้า * กระแส Voltage = Resistace * Current กำลังไฟ = แรงดัน ^ 2 / ความต้านทาน ดังนั้นความร้อนที่ปล่อยออกมาจะแปรผันตรงกับแรงดันไฟฟ้ากำลังสอง

ในพลังงานไฟฟ้ามีพลังงานสองชนิดคือพลังงานปฏิกิริยาและพลังงานที่แท้จริง บางคนเรียกพลังปฏิกิริยาแบบไดนามิกพลังงาน พลังงานปฏิกิริยาไม่เคยถูกใช้หรือสูญหาย ตัวอย่างเช่นหากตัวเก็บประจุอุดมคติเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า AC โดยสายแบบไม่สูญเสียอุดมคติตัวเก็บประจุจะทำการประจุและคายประจุนำพลังงานจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในรอบเดียวและส่งคืนพลังงานไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในรอบถัดไป ขาดทุนสุทธิเป็นศูนย์

อย่างไรก็ตามหากสายไฟเป็นแบบ nonideal และตัวต้านทานพลังงานจะถูกกระจายไปในสายระหว่างการชาร์จและการปล่อยประจุ กำลังงานที่กระจายนี้คือการสูญเสียพลังงานที่แท้จริงและไม่สามารถกู้คืนได้ เมื่ออัตรานาฬิกาเพิ่มขึ้นอัตราการชาร์จและคายประจุจะเพิ่มขึ้นทำให้สูญเสียพลังงานในสายไฟ

ประตูของทรานซิสเตอร์มีพฤติกรรมเหมือนตัวเก็บประจุ เมื่ออัตรานาฬิกาเพิ่มขึ้นพลังงานปฏิกิริยาจะถูกส่งไปยังตัวเก็บประจุมากขึ้น ส่วนที่หายไปในสายต้านทานก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

สิ่งหนึ่งที่ไม่ได้กล่าวถึงในตอนนี้ - ชิปเร็วขึ้นและกระบวนการพิมพ์หินเพื่อทำให้ชิ้นส่วนเล็กลง พวกมันมีขนาดเล็กจนบางอะตอมกว้างในบางกรณี ปัจจุบันมีการรั่วไหลที่สำคัญซึ่งทำให้ความร้อนลดลง

ในการสลับสถานะของวงจรอย่างรวดเร็วต้องการกระแสมากกว่าการสลับอย่างช้าๆ เพื่อให้บรรลุกระแสนั้นคุณต้องมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและ / หรือใหญ่กว่าส่วนประกอบที่กระหายพลังงานมากขึ้น และแน่นอนว่าส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่ต้องการกระแสไดรฟ์มากขึ้นทำให้เกิดสโนว์บอล

(น่าสนใจมีบทความใน Scientific American ฉบับล่าสุด (กรกฎาคม 2011) ที่ครอบคลุมหัวข้อนี้สำหรับสมองมนุษย์หลักการเดียวกันและวิธีหนึ่งที่สมองมนุษย์บรรจุพลังมากขึ้นคือการแบ่งสมองออกเป็นส่วนย่อยของโปรเซสเซอร์ เพื่อพูด)