Tại sao nhiều hơn, bóng bán dẫn nhỏ hơn làm tăng hiệu quả năng lượng?

Các bóng bán dẫn, bjt, MOSFET OK có nó. Nhiều bóng bán dẫn = tính toán tốt hơn có nó.

Nhưng nén các bóng bán dẫn gần hơn với nhau trong tâm trí tôi chỉ giúp giảm kích thước vật lý.

Vì vậy, một CPU hoặc bất kỳ điện tử nào trở nên hiệu quả hơn vì các bóng bán dẫn sử dụng ít điện áp hơn? Có nhiều máy tính làm giảm việc sử dụng năng lượng, do đó đơn giản là có nhiều bóng bán dẫn hơn?

Tôi đang hỏi bởi vì là một người mới và sắp tốt nghiệp kỹ sư, tôi nghĩ những thứ cơ bản như thế này rất quan trọng để hiểu. Nhưng tôi luôn học được khái niệm này như một quy tắc chung chứ không phải theo "nguyên tắc đầu tiên" hay lý thuyết thực tế về hiệu suất bóng bán dẫn.

PS Tôi đã học một lớp trong đó toán của L và W được tính toán và so sánh với L 'và W' mới, giảm trên một npn. Tần suất lý thuyết tăng lên nhưng tôi không nghĩ rằng dịch thuật toán học tốt trong đầu vì tôi không thấy cách đó giúp hiệu quả năng lượng, chỉ hiệu suất và / hoặc khu vực.

Hầu hết mức tiêu thụ năng lượng trong các mạch CMOS là 'năng lượng động' - năng lượng từ trạng thái chuyển mạch của thiết bị. Công suất này về cơ bản là công suất cần thiết để điều khiển điện dung của các cổng khác, cũng như điện dung của hệ thống dây điện.

Trong CMOS hiện đại, có thêm công suất rò rỉ tĩnh vì khi bóng bán dẫn MOS bị 'tắt', nó vẫn cho phép dòng điện rò rỉ nhỏ và cho số lượng thiết bị trong CPU hiện đại, tổng dòng điện trở nên đáng kể. Có những kỹ thuật để giảm thiểu điều này mặc dù.

Khi các thiết bị trở nên nhỏ hơn, bạn sẽ nhận được một số lợi ích:

1. Công suất thiết bị giảm, do đó cần ít năng lượng hơn để điều khiển điện dung này.
2. Các thiết bị nhỏ hơn và gần nhau hơn, do đó điện dung ký sinh của hệ thống dây điện cũng giảm.
3. Các thiết bị có thể được chế tạo hoạt động ở điện áp cung cấp thấp hơn, do đó cả dòng điện rò rỉ và công suất cần thiết để điều khiển công suất ký sinh giảm.

Nói chung, dòng rò tăng khi thiết bị nhỏ hơn (không thực sự vì chúng nhỏ hơn, nhưng vì điện áp ngưỡng thấp hơn cho phép rò rỉ cao hơn). Các kỹ thuật chuyển đổi năng lượng phức tạp hơn được sử dụng để kiểm tra điều này.

Tiêu thụ năng lượng năng động là do sạc và xả điện dung cổng. Công suất tỷ lệ thuận với C * F * V ^ 2. C là điện dung cổng (hoặc quá trình), F là tần số và V là điện áp. Vì thuật ngữ V là bình phương, giảm điện áp làm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng.

Các bóng bán dẫn nhỏ hơn, điện áp thấp hơn có các lớp cách điện mỏng hơn ở cổng, do đó chúng có rò rỉ dòng tĩnh hơn (mặc dù vật liệu này là một chất cách điện tốt, đường dẫn rất ngắn, do đó có một số rò rỉ). Tôi nhớ có lần, có lẽ khoảng năm 2000, có người nói rằng sức mạnh tĩnh và động sẽ vượt qua, và tĩnh sẽ trở nên quan trọng hơn động đối với các bộ xử lý cao cấp (intel PC và như vậy). Tôi nghĩ rằng họ đã tìm ra thủ thuật để giảm sức mạnh tĩnh, mặc dù. Và tôi đã ngừng chú ý đến lĩnh vực công nghiệp đó.

Lên đến một giới hạn, các bóng bán dẫn nhỏ hơn giúp giảm yêu cầu ổ điện áp vì oxit cổng của bạn mỏng hơn và do đó điều khiển cổng mạnh hơn do cổng nằm gần kênh hơn.

Các bóng bán dẫn nhỏ hơn cũng giúp giảm điện dung dẫn đến dòng điện động lực thấp hơn.

Cả điện áp và hiện tại đều có kết quả thấp hơn trong yêu cầu năng lượng thấp hơn.

Hạn chế của tỷ lệ này là khi độ dày oxit cổng của bạn quá mỏng đến mức xảy ra hiện tượng đường hầm lượng tử và độ dài kênh quá ngắn đến nỗi bạn phải chống lại các hiệu ứng kênh ngắn.

bóng bán dẫn nhỏ hơn không làm tăng hiệu quả năng lượng nhiều. Nhưng nếu bạn có thể đặt nhiều bóng bán dẫn hơn trong một cpu, cpu này sẽ làm toán nhanh hơn nhiều, do đó sẽ sử dụng ít năng lượng hơn, do đó sẽ tiết kiệm điện hơn.