Tại sao sản lượng nhiệt tăng khi tốc độ xung nhịp của CPU tăng?

19

Toàn bộ cuộc tranh luận đa lõi khiến tôi suy nghĩ.

Việc sản xuất hai lõi (trong một gói) dễ dàng hơn nhiều, sau đó tăng tốc một lõi theo hệ số hai. Tại sao chính xác là đây? Tôi googled một chút, nhưng tìm thấy hầu hết các câu trả lời rất thiếu chính xác từ các bảng đồng hồ không giải thích được Vật lý cơ bản.

Điện áp dường như có tác động mạnh nhất (bậc hai), nhưng tôi có cần chạy CPU ở điện áp cao hơn nếu tôi muốn tốc độ xung nhịp nhanh hơn không? Ngoài ra tôi muốn biết tại sao chính xác (và bao nhiêu) nhiệt một mạch bán dẫn tạo ra khi nó chạy ở một tốc độ xung nhịp nhất định.

cpu-architecture

— Nils
nguồn

Có một cuộc tranh luận đa lõi? Tôi nghĩ rằng luật pháp của Murphy đã hết và những kẻ lừa đảo không thể tìm thấy bất cứ điều gì khác để làm.

7

Định luật Moore. Luật pháp của Murphy sẽ chỉ hết vào thời điểm tồi tệ nhất có thể. :-)

— O. Jones

Có một yếu tố của sự thật đối với bình luận của Gary. Tại thời điểm này, số lượng bóng bán dẫn đủ cao để các nhà thiết kế CPU lớn hơn có thể đặt mọi thứ vào trạng thái chết thay vì phải chọn và chọn, và thêm bộ đệm cuối cùng sẽ mang lại lợi nhuận giảm dần. Mức tăng 10-20% với các kiến trúc mới cho thấy các nhà thiết kế vẫn đang cố gắng điều chỉnh hiệu suất nhưng có lẽ không còn gì mang tính cách mạng có thể được thực hiện nếu có nhiều bóng bán dẫn hơn để chi tiêu.

— Dan Neely

35

Mỗi lần đồng hồ tích tắc bạn đang sạc hoặc xả một loạt tụ điện. Năng lượng để sạc một tụ điện là:

E = 1/2*C*V^2

Trong trường hợp Clà điện dung và Vlà điện áp mà nó bị buộc tội.

Nếu tần số của bạn là f[Hz], thì bạn có fchu kỳ mỗi giây và sức mạnh của bạn là:

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

Đó là lý do tại sao công suất tăng theo tuyến tính với tần số.

Bạn có thể thấy rằng nó đi lên theo phương trình bậc hai với điện áp. Do đó, bạn luôn muốn chạy ở điện áp thấp nhất có thể. Tuy nhiên, nếu bạn muốn tăng tần số, bạn cũng phải tăng điện áp, bởi vì tần số cao hơn đòi hỏi điện áp hoạt động cao hơn, do đó điện áp tăng tuyến tính với tần số.

Vì lý do này, sức mạnh tăng lên như f^3(hoặc thích V^3).

Bây giờ, khi bạn tăng số lượng lõi, về cơ bản bạn sẽ tăng điện dung C. Điều này không phụ thuộc vào điện áp và tần số, do đó công suất tăng tuyến tính với C. Đó là lý do tại sao nó tăng hiệu quả năng lượng hơn để tăng số lượng lõi mà nó sẽ tăng tần số.

Tại sao bạn cần tăng điện áp để tăng tần số? Vâng, điện áp của một tụ điện thay đổi theo:

dV/dt = I/C

nơi Ilà hiện tại. Vì vậy, dòng điện càng cao, bạn có thể sạc điện dung cổng của bóng bán dẫn nhanh hơn với điện áp "bật" của nó (điện áp "bật" không phụ thuộc vào điện áp hoạt động) và bạn có thể bật bóng bán dẫn nhanh hơn. Dòng điện tăng tuyến tính với điện áp hoạt động. Đó là lý do tại sao bạn cần tăng điện áp để tăng tần số.

— Nathan Fellman
nguồn

7

Các bóng bán dẫn có điện dung động. Để "mở" một bóng bán dẫn, bạn cần phải sạc điện dung cổng của nó.

— Nathan Fellman

1

Tôi thậm chí đã không bị rò rỉ, nhưng nó hoạt động khá giống nhau. Nó giống như một loại điện trở hơn, và giống như một tụ điện hơn, vì vậy nó tiêu thụ năng lượng dựa trên v ^ 2 / r ở cùng tần số f.

— Nathan Fellman

1

Bạn sai rồi. Đó là 100% về điện dung. Điện dung được sạc và xả qua điện trở cống, chắc chắn không bị rò rỉ, nhưng tiêu thụ năng lượng mà bạn đã sử dụng để sạc và xả các tụ điện. Ngoài ra, không phải là những tụ điện lý tưởng theo bất kỳ cách nào. Thứ nhất trong số chúng là tụ điện trong thế giới thực, thứ 2 trong số chúng là tụ MOS có hoạt động rất khác so với tụ điện thông thường, nếu chỉ vì điện dung của chúng phụ thuộc vào điện áp hiện tại.

— Nathan Fellman

3

ok ... điện dung không liên quan gì đến chuyển đổi nhiệt, nhưng nó liên quan đến tiêu thụ năng lượng, bởi vì bạn cần đầu tư 1 / 2CV ^ 2 để sạc tụ điện. Năng lượng đó đến từ một số nguồn năng lượng, vì vậy mỗi lần bạn sạc tụ điện, bạn sẽ tiêu tốn 1 / 2CV ^ 2 từ nguồn đó. Không có gì giữ cho nguồn đó nóng lên. Điện dung per-se không có lỗi. Môi trường mà tụ là trong là để đổ lỗi.

— Nathan Fellman

1

@Gary Bạn đổ lỗi cho điện dung vì nhiệt quy mô với điện dung. Giả sử bạn cần tăng điện áp trên một bóng bán dẫn từ 0,2V lên 0,75V trong một phần tỷ giây từ nguồn 0,9V. Công suất bạn sử dụng để làm điều đó phụ thuộc tuyến tính vào điện trở mà dòng điện cần đi qua và điện dung của cổng. Nếu điện dung bằng không, sẽ không cần dòng điện chạy qua điện trở.

— David Schwartz

7

Rất cơ bản:

Một bóng bán dẫn chuyển đổi nhanh hơn khi bạn áp dụng nhiều điện áp hơn cho nó.
IC hiện đại tiêu thụ hầu hết năng lượng khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái tiếp theo (trên đồng hồ), nhưng không tiêu thụ năng lượng để ở cùng trạng thái (tốt, có rò rỉ, vì vậy không chính xác là không có điện) nên bạn chuyển đổi càng nhanh Càng nhiều công tắc mỗi giây, bạn càng tiêu thụ nhiều năng lượng.

Một cuốn sách rất hay về tất cả các chi tiết về kiến trúc bộ xử lý: Tổ chức và thiết kế máy tính của David A. Patterson, John L. Hennessy.

— Guillaume
nguồn

Đó là một cuốn sách kinh điển.

đó có phải là thống đốc bang New York không?

— Nathan Fellman

5

Mỗi khi một bóng bán dẫn chuyển trạng thái, dòng điện được sử dụng. Tần số cao hơn có nghĩa là chuyển đổi nhanh hơn, lãng phí hiện tại hơn. Và trở kháng của mọi thứ chuyển đổi nó thành nhiệt. P = I ^ 2 * R và tất cả những thứ đó. Và P là V ^ 2 / R. Tuy nhiên, trong trường hợp này, bạn thực sự muốn V và tôi trung bình theo thời gian để có thể tính toán, và nó sẽ là bậc hai đối với điện áp và dòng điện cả.

— gtrak
nguồn

Việc rò rỉ ít quan trọng là công suất chuyển đổi thực tế.

— Nathan Fellman

xin lỗi, tôi sẽ thay đổi 'bị rò rỉ' thành 'lãng phí'

"Và trở kháng của mọi thứ chuyển đổi nó thành nhiệt" - thực ra, không phải là trở kháng. Chỉ là sự kháng cự. Các phần tưởng tượng của trở kháng không được chuyển thành nhiệt.

— Nathan Fellman

2

1) hai lõi so với tăng tốc một lõi
Để tăng tốc một lõi, bạn cần công nghệ mới để tăng tốc các bóng bán dẫn chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác. Để thêm một lõi khác, bạn chỉ cần thêm các bóng bán dẫn tương tự.

2) Nhiệt
Sự tiêu tán năng lượng ở dạng nhiệt. Công suất = Điện áp * Hiện tại. Điện áp = Điện trở * Hiện tại. Công suất = Điện áp ^ 2 / Điện trở. Vì vậy, nhiệt phân tán tỷ lệ với bình phương điện áp.

— Robert
nguồn

Có tôi biết rằng nhiệt tăng bậc hai với điện áp, điều tôi không nhận được là ảnh hưởng của điện áp đến tốc độ đồng hồ? Tôi có cần điện áp cao hơn cho tốc độ xung nhịp cao hơn không?

Tôi biết PIC của Microchip có biểu đồ cho Điện áp và Tần số. Có điện áp tối thiểu mà chip sẽ chạy ở tần số thấp. Đó là một thang đo tuyến tính đến điện áp tối đa và tần số tối đa.

— Robert

2

@Nils, điện áp cao hơn cho các trạng thái và chuyển tiếp rõ ràng hơn và ít mơ hồ hơn, và làm cho nhiều khả năng 1 sẽ được hiểu là 1 chứ không phải là 0. Và tần số cao hơn làm cho các chuyển tiếp ít vuông góc hơn. Hãy nhớ rằng sóng vuông không tồn tại.

bạn có nghĩa là vuông hơn ish

— Nathan Fellman

1

Vâng, trong năng lượng điện, có hai loại năng lượng, công suất phản kháng và công suất thực. Một số người gọi là năng lượng phản kháng năng lượng. Công suất phản kháng không bao giờ được tiêu thụ hoặc mất. Ví dụ, nếu một tụ điện lý tưởng được kết nối với nguồn điện áp xoay chiều bằng các dây không tổn hao lý tưởng, tụ điện sẽ sạc và xả, lấy năng lượng từ máy phát trong một chu kỳ và trả lại năng lượng cho máy phát trong chu kỳ tiếp theo. Các khoản lỗ ròng bằng không.

Tuy nhiên, nếu dây không có điện trở và điện trở, thì năng lượng sẽ bị tiêu tán trong dây trong quá trình sạc và xả tụ điện. Sức mạnh tiêu tan này là mất điện thực sự, và không thể phục hồi. Khi tốc độ xung nhịp tăng lên, tốc độ sạc và xả tăng lên, làm tăng tổn thất điện năng trong dây dẫn.

Các cổng của bóng bán dẫn hoạt động như các tụ điện. Khi tốc độ xung nhịp tăng lên, nhiều công suất phản kháng được cung cấp cho các tụ điện. Các phần bị mất trong các dây điện trở cũng tăng lên.

— Weng Cho
nguồn

0

Một điều không được đề cập cho đến nay - chip nhanh hơn và quy trình in thạch bản để làm cho chúng có các thành phần nhỏ hơn. Chúng đã trở nên nhỏ đến mức chúng chỉ là một vài nguyên tử rộng. Hiện tại có rò rỉ đáng kể, mà thường bị tiêu tan dưới dạng nhiệt.

— Homolka giàu
nguồn

0

Để chuyển đổi trạng thái của một mạch nhanh chóng đòi hỏi nhiều dòng điện hơn là chuyển đổi nó chậm. Để đạt được dòng điện đó, bạn cần một điện áp cao hơn và / hoặc lớn hơn, các thành phần khát điện hơn. Và, tất nhiên, các thành phần lớn hơn cần nhiều dòng điện hơn, gây ra hiệu ứng quả cầu tuyết.

(Thật thú vị, có một bài báo trên tạp chí Khoa học Mỹ mới nhất (tháng 7 năm 2011) đề cập đến chủ đề này cho bộ não con người. Các nguyên tắc tương tự, và một cách để bộ não con người có nhiều sức mạnh hơn là phân chia bộ não để tách các bộ xử lý phụ, có thể nói như vậy.)

— Daniel R Hicks
nguồn