Чому процесор нагрівається?

16

Я хотів би зрозуміти, як процес обчислення викликає нагрівання процесора. Я розумію, що тепло виробляється транзисторами.

Як транзистори точно генерують тепло?
Чи є співвідношення між кількістю мікросхем та виробленим теплом лінійним?
Чи оптимізують виробники процесорів позиції одиночних транзисторів, щоб мінімізувати вироблене тепло?

— синтагма
джерело

Перемикання корпусу теплом, а отже, тактовою частотою також має пряме відношення до виробленого тепла.

— нідхін

5

На практиці реальні мікросхеми нагріваються через рух електрики через опірний провідник, як зазначено у відповідях. Але якщо ця тема вас зацікавить, ви можете прочитати про те, як саме створення бінарної інформації обов'язково вимагає створення відпрацьованого тепла; Приємний нарис, який не потребує великої кількості фізики, можна знайти тут plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Ерік Ліпперт

У мене немає математики, щоб правильно відповісти (і деталізувати коментар Еріка), але для цього питання є наслідки в квантових обчисленнях і оборотних воротах . Існує "kT ln (2) енергія, що розсіюється за незворотну бітну операцію". Частина принципу Ландауера . Якщо у вас є (A & B), це два входи та один вихід. Ця інформація, яка втрачається в цьому процесі, повинна кудись піти і стає ентропією (теплом) ... припускаючи, що я зрозумів її досить, щоб описати це.

25

Транзистор (FET, в сучасних ІМС) ніколи не переходить миттєво з повного ВИМКНЕННЯ на повне ВКЛ. Існує період, коли він включається або вимикається, коли FET діє як резистор (навіть коли він повністю включений, він все ще має опір).

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

Чим більше транзисторів перемикається, тим більше часу вони проводять у цьому резистивному стані, тим більше тепла вони виробляють. Тож кількість виробленого тепла може бути прямо пропорційною кількості транзисторів - але це також залежить від того, які транзистори роблять, що і коли, і це залежить від того, що чіп доручає робити.

Так, виробники можуть розміщувати конкретні блоки своєї конструкції (не окремі транзистори, а блоки, що утворюють повноцінну функцію) в певних областях залежно від тепла, яке може генерувати блок - або розмістити його в місці з кращим тепловим зв’язком, або розмістити він подалі від іншого блоку, який може виробляти тепло. Вони також повинні враховувати розподіл потужності всередині мікросхеми, тому розміщення блоків може бути не завжди можливим, тому їм доведеться піти на компроміс.

— Маєнко
джерело

Існує багато багатьох багатьох факторів, що сприяють виробництву тепла в центральному процесорі. Тільки тому, що ця відповідь не трапляється згадувати улюблену, не означає, що вона неправильна. Я пропоную замість цілком правильних відповідей на голосування спробувати написати власну відповідь. Якщо вона буде кращою за цю, то громада вирішить, і вона отримає більше голосів.

— Majenko

1

Тож упереджте це, даючи людям кращу відповідь, щоб вони замість моїх поставили свої голоси.

— Majenko

Буду, але я не матиму часу (дні). На даний момент я згоден, що тепло генерується резистивними втратами. Однак я не думаю, що ваша відповідь дає дуже глибоке розуміння.

— HKOB

21

Весь струм потоку в усьому, що не є надпровідником, генерує тепло. У мікросхемах вона в основному тече в алюмінієвих "металевих" шарах (чому б не мідь? Погана хімічна взаємодія з іншими частинами кремнію, виявляється).

Що призводить до течії струму? Кожен раз, коли транзистор змінює стан, це може моделюватися як конденсатор (FET затвор керованого логічного затвора плюс паразитна ємність дроту), що заряджає / розряджає через провід і виводить FET попереднього затвора. Це "комутаційна" чи "динамічна" потужність. Це пропорційно швидкості комутації та квадрату напруги; отже, привід від 5 В до 3,3 В до 1,8 В для кращої ефективності.

Ізолятори не ідеальні, а місцями дуже тонкі. Транзистори можуть бути не повністю «вимкненими». Якщо FET має відключений опір мегаом, а ви ставите мільйон паралельно, це виглядає як 1-омний резистор. Це - "витік" потужності. Це пропорційно кількості транзисторів.

Я провів десятиліття, працюючи при запуску з оптимізації потужності. :) Існує маса методик: скорочення / витоки швидкості / витоку ("металеві ворота високого к"), повністю відключення частин ланцюга, решітка тактової частоти, зменшення тактової частоти, розмір розміщення та розміщення.

— pjc50
джерело

Сучасні мікропроцесори високопродуктивних фактично роблять використання мідних межсоединений, з тонкими шарами інших металів , щоб запобігти міді з реакції з кремнієм. Але алюміній як і раніше використовується на менш складних чи великих технологічних мікросхемах, оскільки це набагато менш складно працювати.

— варення

0

1) Будь-який час, коли відбувається потік струму, тепло генерується при зіткненні електронів. 2) Так, взагалі кореляція лінійна. 3) Вкрай малоймовірно, що процесор виробляє оптимізувати положення окремих транзисторів, щоб мінімізувати вироблене тепло (вони всередині одного корпусу).
Коли процесор "не працює", хоча він використовує мінімальну кількість струму, він генерує тепло. Коли процесор починає "обробляти" інформацію, окремі транзистори перемикаються. Це перемикання також генерує тепло. Крім того, частота комутації впливає на швидкість вироблення тепла, чим вище частота, тим більша швидкість вироблення тепла. Оскільки ємність тепловіддачі мікросхеми фіксована, вона може перегріватися, якщо вона працює на більш високій частоті, ніж була призначена для роботи.

— Чайка
джерело

0

просто ми знаємо, що згідно із законами джоулів, що кожного разу, коли електрон протікає через провідник, тепло, яке виробляється через опір матеріалу, тому що кожен провідник має в ньому деяку кількість опору.

— Абхай
джерело