Tại sao một bộ xử lý bị nóng?

Tôi muốn hiểu làm thế nào quá trình tính toán làm cho bộ xử lý bị nóng. Tôi hiểu rằng nhiệt được tạo ra bởi các bóng bán dẫn.

1. Làm thế nào để các bóng bán dẫn tạo ra nhiệt chính xác?
2. Là mối tương quan giữa số lượng chip và nhiệt tạo ra tuyến tính?
3. Các nhà sản xuất CPU có tối ưu hóa vị trí của các bóng bán dẫn đơn để giảm thiểu nhiệt sinh ra không?

Một bóng bán dẫn (FET, trong các IC hiện đại) không bao giờ chuyển ngay lập tức từ TẮT hoàn toàn sang BẬT đầy đủ. Có một khoảng thời gian trong khi nó bật hoặc tắt trong đó FET hoạt động như một điện trở (ngay cả khi BẬT hoàn toàn, nó vẫn có điện trở).

Như bạn đã biết, truyền dòng điện qua điện trở sẽ sinh nhiệt ( hoặc ).P = V $P=I^2R$$P=\frac{V^2}{R}$

Càng nhiều bóng bán dẫn chuyển đổi, họ càng dành nhiều thời gian ở trạng thái điện trở đó, do đó chúng càng tạo ra nhiều nhiệt. Vì vậy, lượng nhiệt được tạo ra có thể tỷ lệ thuận với số lượng bóng bán dẫn - nhưng nó cũng phụ thuộc vào bóng bán dẫn đang làm gì và khi nào, và điều đó phụ thuộc vào việc chip được hướng dẫn làm gì.

Có, các nhà sản xuất có thể định vị các khối cụ thể của thiết kế của họ (không phải các bóng bán dẫn riêng lẻ, nhưng các khối tạo thành một chức năng hoàn chỉnh) ở một số khu vực nhất định tùy thuộc vào nhiệt mà khối có thể tạo ra - hoặc đặt nó ở vị trí có liên kết nhiệt tốt hơn hoặc đặt nó đi từ một khối khác có thể tạo ra nhiệt. Họ cũng phải tính đến phân phối điện trong chip, do đó, việc đặt các khối tùy ý có thể không phải lúc nào cũng có thể, vì vậy họ phải đi đến một thỏa hiệp.

Tất cả dòng chảy trong bất cứ thứ gì không phải là chất siêu dẫn đều sinh nhiệt. Trong các con chip, nó chủ yếu chảy trong các lớp "kim loại" bằng nhôm (tại sao không phải là đồng? Tương tác hóa học khó chịu với các bộ phận khác của silicon, hóa ra).

Điều gì gây ra dòng chảy? Mỗi khi bóng bán dẫn thay đổi trạng thái, nó có thể được mô hình hóa như một tụ điện (cổng FET của cổng logic điều khiển cộng với điện dung dây ký sinh) sạc / xả qua dây và FET đầu ra của cổng trước. Đây là sức mạnh "chuyển đổi" hoặc "năng động". Đó là tỷ lệ thuận với tốc độ và chuyển vuông của điện áp; do đó ổ đĩa từ 5V đến 3.3V đến 1.8V cho hiệu quả tốt hơn.

Các chất cách điện không hoàn hảo, và ở một số nơi rất mỏng. Các bóng bán dẫn có thể không hoàn toàn "tắt". Nếu một FET có điện trở tắt của một megaohm và bạn đặt song song một triệu trong số chúng, thì nó trông giống như một điện trở 1 ohm. Đây là "rò rỉ" điện. Nó tỷ lệ thuận với số lượng bóng bán dẫn.

Tôi đã dành một thập kỷ làm việc tại một startup về tối ưu hóa năng lượng. :) Có rất nhiều kỹ thuật: đánh đổi tốc độ / rò rỉ ("cổng kim loại k cao"), tắt hoàn toàn các bộ phận của mạch, đo xung nhịp, giảm tần số xung nhịp, kích thước và vị trí.

1) Bất cứ khi nào có dòng điện, nhiệt được tạo ra bởi sự va chạm của các điện tử. 2) Có, nói chung, mối tương quan là tuyến tính. 3) Rất khó có khả năng các nhà sản xuất CPU tối ưu hóa vị trí của các bóng bán dẫn riêng lẻ , để giảm thiểu nhiệt lượng sinh ra (tất cả chúng đều nằm trong cùng một vỏ).
Khi CPU "không hoạt động", mặc dù nó sử dụng một dòng điện tối thiểu, nó sẽ tạo ra nhiệt. Khi bộ xử lý bắt đầu "xử lý" thông tin, các bóng bán dẫn riêng lẻ sẽ chuyển trạng thái. Việc chuyển đổi này cũng tạo ra nhiệt. Ngoài ra, tần số chuyển đổi ảnh hưởng đến tốc độ sinh nhiệt, tần số càng cao thì tốc độ sinh nhiệt càng cao. Vì khả năng tản nhiệt của chip là cố định, nó có thể bị quá nóng nếu nó hoạt động ở tần số cao hơn so với thiết kế để hoạt động.

thật đơn giản, chúng ta biết rằng theo định luật joules rằng bất cứ khi nào electron chảy qua dây dẫn, nhiệt sinh ra do điện trở của vật liệu bởi vì mọi dây dẫn đều có một lượng điện trở trong đó.