Por que a produção de calor aumenta à medida que o clock de uma CPU aumenta?

Question

Todo o debate sobre vários núcleos me fez pensar.

É muito mais fácil produzir dois núcleos (em um pacote) e, em seguida, acelerar um núcleo por um fator de dois. Por que exatamente isso é? Eu pesquisei um pouco, mas encontrei na maioria das vezes respostas muito imprecisas a partir de placas com overclocking que não explicam a Física subjacente.

A tensão parece ter o maior impacto (quadrático), mas eu preciso rodar uma CPU em alta tensão se eu quiser um clock mais rápido? Também gosto de saber por que exatamente (e quanto) o calor que um circuito semicondutor produz quando funciona a uma determinada velocidade de clock.

    

Answer 1

Cada vez que o relógio toca você está carregando ou descarregando um monte de capacitores. A energia para carregar um capacitor é:

E = 1/2*C*V^2

Onde C é a capacitância e V é a tensão à qual foi carregada.

Se sua frequência for f[Hz] , você terá f ciclos por segundo e seu poder será:

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

É por isso que a potência sobe linearmente com a frequência.

Você pode ver que ele sobe quadraticamente com a voltagem. Por isso, você sempre quer rodar na voltagem mais baixa possível. No entanto, se você quiser aumentar a freqüência, também terá que aumentar a tensão, porque as freqüências mais altas requerem tensões operacionais mais altas, então a tensão aumenta linearmente com a freqüência.

Por esse motivo, o poder aumenta como f^3 (ou como V^3 ).

Agora, quando você aumenta o número de núcleos, basicamente aumenta a capacitância C . Isso é independente da tensão e da freqüência, então a potência aumenta linearmente com C . É por isso que é mais eficiente em termos de energia aumentar o número de núcleos que é aumentar a frequência.

Por que você precisa aumentar a voltagem para aumentar a frequência? Bem, a voltagem de um capacitor muda de acordo com:

dV/dt = I/C

onde I é a corrente. Assim, quanto mais alta a corrente, mais rápido você pode carregar a capacitância da porta do transistor para sua voltagem "on" (a voltagem "on" não depende da voltagem de operação), e quanto mais rápido você pode ligar o transistor. A corrente aumenta linearmente com a tensão de operação. É por isso que você precisa aumentar a voltagem para aumentar a frequência.

    

Answer 2

Muito basicamente:

• Um transistor muda mais rápido quando você aplica mais voltagem a ele.
• IC moderno consome mais energia quando se vira de um estado para outro (no tique-taque do relógio), mas não consome energia para ficar no mesmo estado (bem, há vazamento, então não exatamente sem energia), então quanto mais rápido switch, quanto mais switch por segundo você tiver, mais energia será consumida.

Um livro muito bom sobre todos os detalhes da arquitetura do processador: organização e design de computadores por David A. Patterson e John L. Hennessy.

    

Answer 3

Toda vez que um transistor muda de estado, a corrente é gasta. Freqüência mais alta significa troca mais rápida, mais corrente desperdiçada. E a impedância de tudo converte em calor. P = I ^ 2 * R e tudo isso. E P é V ^ 2 / R. Neste caso, porém, você realmente quer que a média de V e I ao longo do tempo seja capaz de calcular, e seria quadrática para a tensão e corrente.

    

Answer 4

1) dois núcleos vs. aceleração de um núcleo
Para acelerar um núcleo, você precisa de uma nova tecnologia para acelerar os transistores, mudando de um estado para outro. Para adicionar outro núcleo, você só precisa de mais dos mesmos transistores.

2) Calor
A dissipação de energia está na forma de calor. Potência = Voltagem * Corrente. Voltagem = Resistência * Corrente. Potência = Voltagem ^ 2 / Resistência. Então, o calor disipado é proporcional à tensão ao quadrado.

    

Answer 5

Bem, em energia elétrica, existem dois tipos de energia, potência reativa e potência real. Algumas pessoas chamam poder dinâmico de potência reativa. O poder reativo nunca é consumido ou perdido. Por exemplo, se um capacitor ideal estiver conectado a uma fonte de tensão CA por meio de fios sem perdas ideais, o capacitor será carregado e descarregado, recebendo energia do gerador em um ciclo e retornando energia ao gerador no próximo ciclo. A perda líquida é zero.

No entanto, se os fios são não-ideais e resistivos, a energia é dissipada nos fios durante o carregamento e a descarga do capacitor. Esse poder dissipado é uma perda real de energia e não pode ser recuperado. À medida que o clock aumenta, a taxa de carga e descarga aumenta, aumentando a perda de energia nos fios.

Os portões dos transistores se comportam como capacitores. À medida que o clock aumenta, mais potência reativa é fornecida aos capacitores. A fração da qual é perdida nos fios resistivos também aumenta.

    

Answer 6

Uma coisa não mencionada até agora - os chips ficam mais rápidos e o processo de litografia para torná-los menores. Eles ficaram tão pequenos que eles têm alguns átomos de largura em alguns casos. Há um vazamento de corrente significativo agora, que é dissipado como calor em geral.

    

Answer 7

Para mudar o estado de um circuito rapidamente, é necessário mais corrente do que para ligá-lo lentamente. Para atingir essa corrente, você precisa de uma tensão maior e / ou maior, com mais componentes com sede de energia. E, é claro, componentes maiores precisam de mais corrente de acionamento, causando um efeito de bola de neve.

(Curiosamente, houve um artigo no Scientific American mais recente (julho de 2011) que aborda este tópico para o cérebro humano. Os mesmos princípios, e uma maneira pela qual o cérebro humano tem mais poder é dividir o cérebro em separado -processadores, por assim dizer.)