Tại sao CPU cần rất nhiều hiện tại?

Tôi biết rằng một CPU đơn giản (như Intel hoặc AMD) có thể tiêu thụ 45-140 W và nhiều CPU hoạt động ở 1,2 V, 1,25 V, v.v.

Vì vậy, giả sử CPU hoạt động ở mức 1.25 V và có TDP là 80 W ... nó sử dụng 64 Amps (rất nhiều ampe).

Tại sao CPU cần nhiều hơn 1 A trong mạch của chúng (giả sử các bóng bán dẫn FinFET)? Tôi biết rằng hầu hết thời gian CPU không hoạt động và 60 A đều là "xung" vì CPU có đồng hồ, nhưng tại sao CPU không thể hoạt động ở 1 V và 1 A?
Một bóng bán dẫn FinFET nhỏ và nhanh, ví dụ: 14nm hoạt động ở tốc độ 3.0 GHz cần bao nhiêu ampe (xấp xỉ)?
Liệu dòng điện cao hơn có làm cho bóng bán dẫn bật và tắt nhanh hơn không?

— Leonardo Bosquett
nguồn

Các CPU hiện đại (không có CPU nào là 'đơn giản') yêu cầu nhiều đường ray điện áp với các yêu cầu năng lượng riêng. Câu hỏi của bạn đưa ra nhiều giả định và có nhiều phát biểu sai. Bạn phải xem xét tất cả các yêu cầu về năng lượng và không chỉ những yêu cầu cho một đường ray.

— Wossname

Làm một bóng bán dẫn FinFET trên một CPU hiện đại. Không phải mọi FET đều dẫn dòng điện từ Vdd xuống đất, nhưng ngay cả như vậy, 64 A được phân phối trên * một số lượng rất lớn * trong số các FET chuyển đổi này.

— glen_geek

@EricLippert "nó sẽ phải kéo 64 ampe ra khỏi tường" - Tôi có một nghi ngờ rằng CPU sẽ không hoạt động trên 110 V.

— Andrew Morton

Số lượng bảo tồn là năng lượng, và trung bình cũng là sức mạnh. Nếu CPU rút 64 watt, thì nguồn điện phải rút ít nhất 64 watt từ ổ cắm. Đó là <1A thậm chí ở mức 110v.

— MSalters

@EricLippert Bo mạch chủ trong máy tính của bạn chứa bộ chuyển đổi DC sang DC đa pha giúp tăng điện áp cung cấp (12V trong trường hợp máy tính để bàn, có thể là 12-19V trong trường hợp máy tính xách tay) xuống điện áp cung cấp lõi. Điều này được thực hiện với POWER không đổi, do đó, dòng điện đầu ra kết thúc bằng 10-20 lần dòng điện đầu vào. Chưa kể nguồn cung cấp 12V trong máy tính để bàn cũng đến từ nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi cũng chuyển đổi với nguồn điện không đổi. CPU trong máy tính của bạn có thể có ít nhất 100 chân nguồn và chân đất để xử lý dòng điện.

— alex.forencich

Câu trả lời:

CPU không 'đơn giản' bởi bất kỳ sự tưởng tượng nào. Bởi vì chúng có một vài tỷ bóng bán dẫn, mỗi một trong số chúng sẽ có một số rò rỉ nhỏ khi không sử dụng và phải sạc và xả cổng và kết nối điện dung trong các bóng bán dẫn khác khi chuyển đổi. Vâng, mỗi cái rút ra một dòng điện nhỏ, nhưng khi bạn nhân số đó với số lượng bóng bán dẫn, bạn kết thúc với một số lượng lớn đáng ngạc nhiên. 64A là dòng điện trung bình đã có ... khi chuyển đổi, các bóng bán dẫn có thể rút ra nhiều hơn mức trung bình và điều này được làm mịn bằng cách bỏ qua các tụ điện. Hãy nhớ rằng con số 64A của bạn đến từ hoạt động ngược từ TDP, tạo ra RMS 64A thực sự và có thể có sự thay đổi đáng kể xung quanh đó ở nhiều thang đo thời gian (biến đổi trong chu kỳ đồng hồ, biến đổi trong các hoạt động khác nhau, biến đổi giữa các trạng thái ngủ, v.v. ). Cũng thế, bạn có thể thoát khỏi việc chạy CPU được thiết kế để hoạt động ở tốc độ 3 GHz trên 1,2 volt và 64 ampe ở 1 volt và 1 amp .... chỉ có thể ở mức 3 MHz. Mặc dù tại thời điểm đó, bạn phải lo lắng về việc liệu chip có sử dụng logic động có tần số xung nhịp tối thiểu hay không, vì vậy có thể bạn sẽ phải chạy nó ở tốc độ vài trăm MHz đến một GHz và chuyển nó vào chế độ ngủ sâu định kỳ để đạt mức trung bình hiện tại xuống Điểm mấu chốt là sức mạnh = hiệu suất. Hiệu năng của hầu hết các CPU hiện đại thực sự bị hạn chế về nhiệt. vì vậy, có thể bạn sẽ phải chạy nó ở tốc độ vài trăm MHz đến một GHz và chuyển nó vào chế độ ngủ sâu định kỳ để giảm dòng điện trung bình. Điểm mấu chốt là sức mạnh = hiệu suất. Hiệu năng của hầu hết các CPU hiện đại thực sự bị hạn chế về nhiệt. vì vậy, có thể bạn sẽ phải chạy nó ở tốc độ vài trăm MHz đến một GHz và chuyển nó vào chế độ ngủ sâu định kỳ để giảm dòng điện trung bình. Điểm mấu chốt là sức mạnh = hiệu suất. Hiệu năng của hầu hết các CPU hiện đại thực sự bị hạn chế về nhiệt.
$I = C v \alpha f$ $I$ $C$ $v$ $\alpha$ $f$
Sắp xếp Điện dung cổng được sạc hoặc xả càng nhanh, bóng bán dẫn sẽ chuyển đổi càng nhanh. Sạc nhanh hơn đòi hỏi một điện dung nhỏ hơn (xác định bằng hình học) hoặc dòng điện lớn hơn (được xác định bởi điện trở kết nối và điện áp cung cấp). Các bóng bán dẫn riêng lẻ chuyển đổi nhanh hơn sau đó có nghĩa là chúng có thể chuyển đổi thường xuyên hơn, dẫn đến việc rút ra dòng điện trung bình nhiều hơn (tỷ lệ với tần số xung nhịp).

Chỉnh sửa: vì vậy, http://www.synopsys.com/community/universityprogram/document/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf có một con số cho điện dung cổng của FinFET 25nm. Tôi sẽ gọi nó là 0,1 fF vì mục đích đơn giản. Rõ ràng nó thay đổi theo điện áp phân cực và chắc chắn nó sẽ thay đổi theo kích thước bóng bán dẫn (bóng bán dẫn có kích thước tùy theo mục đích của chúng trong mạch, không phải tất cả các bóng bán dẫn sẽ có cùng kích thước! Các bóng bán dẫn lớn hơn 'mạnh hơn' vì chúng có thể chuyển đổi dòng điện nhiều hơn, nhưng chúng cũng có điện dung cổng cao hơn và cần nhiều dòng điện hơn để lái xe).

$\alpha = 1$ $0.375 \mu A$ . Nhân số đó với 1 tỷ và bạn nhận được 375 A. Đó là dòng cổng trung bình cần thiết (phí mỗi giây vào điện dung cổng) để chuyển 1 tỷ bóng bán dẫn này ở tốc độ 3 GHz. Điều đó không được tính là 'bắn xuyên qua', điều này sẽ xảy ra trong khi chuyển đổi theo logic CMOS. Đây cũng là một mức trung bình, do đó, dòng điện tức thời có thể thay đổi rất nhiều - hãy nghĩ đến cách dòng điện rút ra một cách không có triệu chứng khi mạch RC tăng lên. Bỏ qua các tụ điện trên đế, gói và bảng mạch với sự biến đổi này. Rõ ràng đây chỉ là một con số trên sân bóng, nhưng nó có vẻ là thứ tự đúng của độ lớn. Điều này cũng không xem xét dòng rò hoặc điện tích được lưu trữ trong các ký sinh trùng khác (ví dụ như hệ thống dây điện).

$\alpha$ $\alpha = 1$ $\alpha$ $\alpha = 0.25$ $\alpha$ $\alpha = 0.000061$ $\alpha$ . Do đó, tại sao mức tiêu thụ năng lượng bộ nhớ cache thường bị chi phối bởi dòng rò - đó là RẤT NHIỀU bóng bán dẫn nhàn rỗi chỉ ngồi xung quanh bị rò rỉ thay vì chuyển đổi.

— alex.forencich
nguồn

1V 1A không phải là mục tiêu kỳ lạ, CPU ARM thường được chỉ định là mW / MHz. Để so sánh, toàn bộ Raspberry Pi A + sử dụng 1Watt, bao gồm CPU 700 Mhz - nhiều hơn rất nhiều so với đề xuất 3Mhz ít ỏi

— MSalters

Sẽ hữu ích hơn khi tham khảo "MIPS trên mỗi watt", vì số lượng công việc được thực hiện trên mỗi chu kỳ đồng hồ thay đổi rất nhiều.

— pjc50

Vâng, nó phụ thuộc vào những gì chip được thiết kế để làm. Một con chip có TDP 80W được thiết kế để chạy ở tốc độ 3 GHz ở mức 1,2 volt có thể có thể chạy trên 1V và 1A ... nhưng ở mức 1V, bạn sẽ phải giảm tốc độ đáng kể và để có được nó để thu hút 1A bạn Sẽ phải giảm tốc độ hơn nữa. Bạn sẽ không nhận được bất cứ nơi nào gần 3 GHz trong trường hợp đó. Tuy nhiên, tôi không biết bạn thực sự sẽ có thể đạt được điều gì, vì tôi đã không tự mình thử nó. Có thể 3 MHz là một chút bi quan cho một i7 ở 1V và 1A. Bây giờ, chắc chắn có thể thiết kế một con chip để chạy ở mức năng lượng đó, như bạn đã đề cập.

— alex.forencich

Chúng không đơn giản. Trong thực tế, chúng là một trong những điều phức tạp nhất mà chúng tôi từng xây dựng.

— joojaa

Các CPU Intel / AMD hiện đại sử dụng ít nhất một số logic động thực sự sẽ không hoạt động nếu xung nhịp quá thấp . Intel Skylake (ví dụ) có điểm tần số / điện áp hiệu quả tối thiểu. Để đạt được mức năng lượng / thông lượng thấp hơn cho SoC, nó chuyển lõi vào và ra khỏi giấc ngủ theo chu kỳ nhiệm vụ thay đổi (> = 800us ở mức có thể ~ 1GHz (hiệu quả nhất f), nghỉ ngơi trong giấc ngủ). Xem cuộc trò chuyện IDF2015 Skylake power-mgmt của Efraim Rotem, vào khoảng 53 phút sau

— Peter Cordes

Theo Wikipedia , các CPU hàng đầu được phát hành năm 2011 có khoảng 0,5 đến 2,5 tỷ bóng bán dẫn. Giả sử một CPU có 1 tỷ bóng bán dẫn tiêu thụ 64A dòng điện, dòng điện trung bình chỉ là 64nA trên mỗi bóng bán dẫn. Xem xét tần số hoạt động của vài GHz, thực sự rất ít.

— Dmitry Grigoryev
nguồn

Là cho tần số hoạt động cao hơn của CPU yêu cầu hiện tại cao hơn?

— Lu Ka

I \approx I_{0} + k f_{C} V^{2}

$I \approx I_0 + kf_CV^2$

Tại thời điểm này, chúng ta có thể đặt nhiều bóng bán dẫn vào CPU hơn là chúng ta có thể sử dụng cùng một lúc mà không làm tan chảy nó. Vì vậy, tại bất kỳ thời điểm nào, một phần lớn của chip là Dark Silicon : không được cấp nguồn, nhưng ngồi đó chờ để được sử dụng trong khi các phần khác của chip (với các chức năng chuyên dụng khác nhau) bị tắt nguồn. ví dụ: phần cứng dấu phẩy động vectơ, bội số nguyên vectơ và các đơn vị xáo trộn vectơ đều không thể bão hòa cùng một lúc, nhưng chúng đều có thông lượng cao khi sử dụng một mình. Ngoài ra, bộ nhớ cache lớn không chuyển đổi nhiều.

— Peter Cordes

Đây là một yếu tố lớn trong việc CPU đạt được ngày càng nhiều phần cứng chuyên dụng, như hướng dẫn về mật mã AES và SHA, và BMI2 của Intel (đặc biệt là trích xuất / gửi tiền PEXT / PDEP ). Một cái gì đó để làm với ngân sách bóng bán dẫn có thể tăng tốc một số khối lượng công việc nhưng không phải bật nguồn khi không sử dụng.

— Peter Cordes