Чому виробництво тепла збільшується в міру збільшення тактової частоти процесора?

Вся багатоядерна дискусія змусила мене задуматися.

Набагато простіше виробляти два ядра (в одній упаковці), а потім прискорювати одне ядро ​​в два рази. Чому саме це? Я трохи погуглився, але знайшов, в основному, дуже неточні відповіді над дошками, що не пояснюють основу фізики.

Напруга, здається, має найбільший вплив (квадратичне), але чи потрібно мені запускати ЦП при більш високій напрузі, якщо я хочу більш швидку тактову частоту? Також мені хочеться знати, чому саме (і скільки) нагрівання виробляє напівпровідникова ланцюг, коли вона працює з певною тактовою частотою.

Кожен раз, коли годинник тикає, ви заряджаєте чи розряджаєте купу конденсаторів. Енергія для зарядки конденсатора становить:

E = 1/2*C*V^2

Де Cємність і Vнапруга, на яке вона була заряджена.

Якщо ваша частота f[Hz], то у вас є fцикли в секунду, і ваша потужність:

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

Ось чому потужність піднімається лінійно з частотою.

Ви можете бачити, що вона йде вгору квадратично з напругою. Через це ви завжди хочете працювати при найменшій можливій напрузі. Однак якщо ви хочете підняти частоту, вам також доведеться підняти напругу, оскільки більш високі частоти вимагають більш високих робочих напруг, тому напруга лінійно зростає з частотою.

З цієї причини потужність зростає на зразок f^3(або як V^3).

Тепер, коли ви збільшуєте кількість ядер, ви в основному збільшуєте ємність C. Це не залежить від напруги та частоти, тому потужність збільшується лінійно з C. Ось чому ефективніше збільшувати кількість ядер, ніж збільшувати частоту.

Чому для збільшення частоти потрібно збільшувати напругу? Ну, напруга конденсатора змінюється відповідно до:

dV/dt = I/C

де Iструм. Отже, чим більший струм, тим швидше ви можете зарядити ємність затвора транзистора до його напруги "включення" (напруга "включено" не залежить від робочої напруги), і тим швидше ви можете увімкнути транзистор. Струм піднімається лінійно з робочою напругою. Ось чому для збільшення частоти потрібно підвищити напругу.

Дуже в основному:

• Транзистор перемикається швидше, коли ви подаєте на нього більше напруги.
• сучасний ІС споживає більшість енергії, коли переходить з одного стану в інший (на годинниковій галочці), але не споживає ніякої сили, щоб залишатися в такому самому стані (ну, є витік, тож точно немає потужності), тому чим швидше ви переходите, тим чим більше перемикання в секунду у вас є, тим більше енергії ви споживаєте.

Дуже гарна книга про всі деталі архітектури процесора: організація та дизайн комп’ютерів Девід А. Паттерсон, Джон Л. Хеннесі.

Кожен раз, коли транзистор переходить у стан, витрачається струм. Більш висока частота означає швидше перемикання, більше витрачається струм. І імпеданс усього перетворює це на тепло. P = I ^ 2 * R і все таке. І Р - V ^ 2 / R. Однак у цьому випадку ви дуже хочете, щоб середня величина V і я з часом змогли обчислити, і це було б квадратичним як напруга, так і струм.

1) два ядра проти прискорення одного ядра
Для прискорення одного ядра вам потрібна нова технологія для прискорення переходу транзисторів з одного стану в інший. Щоб додати ще одне ядро, вам просто потрібно більше таких же транзисторів.

2) Нагрівання
Розсіювання потужності відбувається у вигляді тепла. Потужність = Напруга * Струм. Напруга = опір * струм. Потужність = Напруга ^ 2 / Опір. Отже тепло, що розсіюється, пропорційне напрузі в квадраті.

Ну а в електроенергії є два види живлення, реактивна потужність і реальна потужність. Деякі люди називають реактивну потужність динамічною потужністю. Реактивна потужність ніколи не споживається і не втрачається. Наприклад, якщо ідеальний конденсатор підключений до джерела змінного струму ідеальними проводами без втрат, конденсатор буде заряджатись і розряджатися, беручи енергію від генератора за один цикл, і повертати енергію генератору в наступному циклі. Чистий збиток дорівнює нулю.

Однак якщо дроти не є нереалістичними та резистивними, то енергія в проводах розсіюється під час зарядки та розряду конденсатора. Ця розсіяна потужність є реальною втратою електроенергії, і її неможливо відновити. Із зростанням тактової частоти швидкість зарядки та розрядки збільшується, збільшуючи втрати електроенергії в проводах.

Ворота транзисторів ведуть себе як конденсатори. Із зростанням тактової частоти більше реактивної потужності надходить до конденсаторів. Частка, яка втрачається в резистивних проводах, також збільшується.

Одне, що раніше не згадувалося - чіпи стають швидшими, і процес літографії, щоб зробити їх, стає менш компонентів. Вони стали настільки маленькими, що в деяких випадках вони мають кілька атомів. Зараз існує значний витік струму, який, як правило, розсіюється як тепло.

Для швидкого перемикання стану ланцюга потрібно більше струму, ніж для повільного перемикання. Щоб досягти цього струму, вам потрібні більш високі напруги та / або більші, більш потужні компоненти. І, звичайно, більші компоненти потребують більше приводного струму, викликаючи ефект снігової кулі.

(Цікаво, що в останньому науковому американському (липень 2011 року) стаття висвітлювала цю тему для людського мозку. Ті ж принципи, і один із способів людського мозку набирає більшої сили - це розділити мозок на окремі підпроцесори, так би мовити.)