Warum steigt die Wärmeproduktion mit zunehmender Taktrate einer CPU an?

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Nils

Die ganze Multi-Core-Debatte brachte mich zum Nachdenken.

Es ist viel einfacher, zwei Kerne (in einem Paket) zu produzieren, als einen Kern um den Faktor zwei zu beschleunigen. Warum genau ist das? Ich googelte ein wenig, fand aber meistens sehr ungenaue Antworten von überbordenden Platinen, die die zugrunde liegende Physik nicht erklären.

Die Spannung scheint die größte Auswirkung zu haben (quadratisch), aber muss ich eine CPU mit höherer Spannung betreiben, wenn ich einen schnelleren Takt möchte? Ich möchte auch gerne wissen, warum (und wie viel) Wärme eine Halbleiterschaltung erzeugt, wenn sie mit einer bestimmten Taktrate läuft.

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there's a multi-core debate? I thought murphy's law ran out and the comp arch guys couldn't find anything else to do. vor 14 Jahren 0
Moore's law. Murphy's law will only run out at the worst possible moment. :-) O. Jones vor 14 Jahren 7
There is an element of truth to Gary's comment though. At this point transistor counts are high enough that for larger CPUs designers can put *everything* on die instead of having to pick and choose, and adding cache eventually runs into diminishing returns. The 10-20% gains with new architectures indicate that designers are still managing to tweak performance but there's probably not anything revolutionary left that could be implemented if there were more transistors available to spend. Dan Neely vor 14 Jahren 0

7 Antworten auf die Frage

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Nathan Fellman

Jedes Mal, wenn die Uhr tickt, laden oder entladen Sie eine Reihe von Kondensatoren. Die Energie zum Laden eines Kondensators beträgt:

E = 1/2*C*V^2

Wo Cist die Kapazität und Vist die Spannung, auf die sie aufgeladen wurde.

Wenn Ihre Frequenz ist f[Hz], dann haben Sie fZyklen pro Sekunde und Ihre Leistung ist:

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

Deshalb steigt die Leistung linear mit der Frequenz an.

Sie können sehen, dass es mit der Spannung quadratisch steigt. Aus diesem Grund möchten Sie immer mit der niedrigst möglichen Spannung laufen. Wenn Sie jedoch die Frequenz erhöhen möchten, müssen Sie auch die Spannung erhöhen, da höhere Frequenzen höhere Betriebsspannungen erfordern, sodass die Spannung linear mit der Frequenz ansteigt.

Aus diesem Grund steigt die Kraft ähnlich f^3(oder ähnliches V^3).

Wenn Sie jetzt die Anzahl der Kerne erhöhen, erhöhen Sie grundsätzlich die Kapazität C. Da dies unabhängig von der Spannung und der Frequenz ist, steigt die Leistung linear an C. Deshalb ist es effizienter, die Anzahl der Kerne zu erhöhen, um die Frequenz zu erhöhen.

Warum müssen Sie die Spannung erhöhen, um die Frequenz zu erhöhen? Nun, die Spannung eines Kondensators ändert sich nach:

dV/dt = I/C

Wo Iist der Strom? Je höher der Strom, desto schneller können Sie die Gate-Kapazität des Transistors auf seine "Ein" -Spannung laden (die "Ein" -Spannung hängt nicht von der Betriebsspannung ab) und desto schneller können Sie den Transistor einschalten. Der Strom steigt linear mit der Betriebsspannung an. Deshalb müssen Sie die Spannung erhöhen, um die Frequenz zu erhöhen.

cpu doesn't have capacitors on it? it uses SRAM which is just transistors in a latch configuration. vor 14 Jahren 0
Transistoren haben eine dynamische Kapazität. Um einen Transistor zu "öffnen", müssen Sie seine Gate-Kapazität laden. Nathan Fellman vor 14 Jahren 7
ah, still, is this different from leak current? I didn't get too far into analog :-). And capacitance wouldn't show up as heat, just the current through the impedance of the gate right? vor 14 Jahren 0
I didn't even go into leakage, but that works pretty much the same. It's more like some sort of resistor, and less like a capacitor, so it consumes power based on v^2/r at the same frequency f. Nathan Fellman vor 14 Jahren 1
Ich halte es immer noch für verwirrend, die Kapazität zu beschuldigen, weil ideale Kondensatoren nur Energiespeicher sind und keine Wärme abgeben. vor 14 Jahren 0
Und Halbleitertransistoren funktionieren genauso wie dielektrische Transistoren? vor 14 Jahren 0
You're wrong. It's 100% about capacitance. The capacitance is charged and discharged through the source-drain resistance, which is definitely *not* leakage, but which consumes the power that you spent charging and discharging the capacitors. Also, not that these aren't ideal capacitors in any way. 1st of all they're real-world capacitors, 2nd of all they're MOS capacitors whose behavior is very different from regular capacitors, if only because their capacitance depends on the current voltage. Nathan Fellman vor 14 Jahren 1
@Nils, danke, ich habe vergessen, dass der Begriff "dielektrische" Kondensatoren war. Nathan Fellman vor 14 Jahren 0
I know I'm wrong about some stuff, but I know for a fact that capacitance has nothing to do with heat conversion. Capacitors do, but capacitance doesn't :-). If it's a pure capacitance, then the energy for charging has nothing to do with what's lost as heat, except if the power source has an impedance, which you do not blame. You blame the capacitance. So, I can tell you know what you're talking about, and know analog better than me, but I just think you could be more clear, especially since the asker of the question doesn't know as much as you. vor 14 Jahren 0
ok... capacitance doesn't have anything to do with heat conversion, but it does have to do with energy consumption, because you need to invest 1/2CV^2 to charge the capacitor. That energy comes from some power source, so each time you charge the capacitor, you're spending 1/2CV^2 from that source. There's nothing keeping that source from heating up. The *capacitance* per-se isn't to blame. The environment that capacitor is in *is* to blame. Nathan Fellman vor 14 Jahren 3
"However, if you want to raise the frequency you also have to raise the voltage, because higher frequencies require higher operating voltages, so the voltage rises linearly with the frequency." While true in the abstract the default voltages on most CPUs are set conservatively so that you can often get a decent OC before having to boost the voltage. Also, in my experience with aggressive OCing, most of the total overvolt comes for the last few hundred mhz gained and that the response curve is not linear as it approaches the limit of stability. Dan Neely vor 14 Jahren 0
@ Dan, das stimmt nicht unbedingt. Die Speedstep-Technologie ermöglicht es der Plattform, die Spannung auf der niedrigsten möglichen Spannung basierend auf der aktuellen Frequenz einzustellen. Dies gilt insbesondere für ULV-Notebooks und Blade-Server. Außerdem spreche ich über die Physik davon. Die Tatsache, dass OEMs die Spannung konservativ einstellen, ändert nichts daran. Auf solchen Systemen ist die Standardeinstellung etwas verschwenderisch. Nathan Fellman vor 14 Jahren 0
AFAIK the speedstep values are equally conservative; running 24 hour burn tests at each multiplier/voltage stop would be prohibitively expensive so they set universal values that are good for 99.9...% of chips that pass whatever quick test they perform while binning the chips. I was commenting on the fact that in the real world the default settings will let you get a decent overclock at stock voltage, a decent undervolt at stock speeds, or operate with bad airflow in a hot room without failure. Dan Neely vor 14 Jahren 0
@Gary Sie beschuldigen die Kapazität, weil die Wärme mit der Kapazität skaliert. Angenommen, Sie müssen die Spannung eines Transistors von einer 0,9 V-Quelle in einer Milliardstel Sekunde von 0,2 V auf 0,75 V erhöhen. Die Leistung, die Sie dafür verwenden, hängt linear von dem Widerstand ab, den der Strom durchlaufen muss, und der Kapazität des Gates. Wenn die Kapazität Null wäre, müsste kein Strom durch den Widerstand fließen. David Schwartz vor 10 Jahren 1
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Guillaume

Ganz grundsätzlich:

  • Ein Transistor schaltet schneller, wenn Sie mehr Spannung anlegen.
  • moderne IC verbrauchen die meiste Energie, wenn sie von einem Zustand zum nächsten wechseln (auf dem Takt ticken), verbrauchen jedoch keinen Strom, um im gleichen Zustand zu bleiben (naja, es gibt Undichtigkeiten, also nicht gerade kein Strom), je schneller Sie schalten, desto schneller Je mehr Sie pro Sekunde schalten, desto mehr Strom verbrauchen Sie.

Ein sehr gutes Buch über alle Details der Prozessorarchitektur: Computerorganisation und -design von David A. Patterson, John L. Hennessy.

Das ist ein klassisches Buch. vor 14 Jahren 0
Ist das der Gouverneur des Staates New York? Nathan Fellman vor 14 Jahren 0
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gtrak

Jedes Mal, wenn ein Transistor den Status wechselt, wird Strom verbraucht. Höhere Frequenzen bedeuten schnelleres Schalten und mehr Stromverschwendung. Und die Impedanz von allem wandelt es in Wärme um. P = I ^ 2 * R und das alles. Und P ist V ^ 2 / R. In diesem Fall möchten Sie jedoch, dass der durchschnittliche V und I-Wert über die Zeit berechnet werden kann, und es wäre in Bezug auf Spannung und Strom quadratisch.

Das Leck ist weniger bedeutsam als die tatsächliche Schaltleistung. Nathan Fellman vor 14 Jahren 0
Entschuldigung, ich werde "durchgesickert" in "verschwendet" ändern vor 14 Jahren 0
"Und die Impedanz von allem wandelt es in Wärme um" - eigentlich nicht die Impedanz. Nur der Widerstand. Die Imaginärteile der Impedanz werden nicht in Wärme umgewandelt. Nathan Fellman vor 9 Jahren 0
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Robert

1) Zwei Kerne vs. Beschleunigen eines Kerns
Um einen Kern zu beschleunigen, benötigen Sie eine neue Technologie, um das Umschalten der Transistoren von einem Zustand zum anderen zu beschleunigen. Um einen weiteren Kern hinzuzufügen, benötigen Sie einfach mehr Transistoren.

2) Wärme
Die Verlustleistung erfolgt in Form von Wärme. Leistung = Spannung * Strom. Spannung = Widerstand * Strom. Leistung = Spannung ^ 2 / Widerstand. Die abgegebene Wärme ist also proportional zum Quadrat der Spannung.

Ja, ich weiß, dass die Wärme mit der Spannung quadratisch zunimmt. Was ich nicht verstehe, welchen Einfluss hat die Spannung auf die Taktgeschwindigkeit? Benötige ich eine höhere Spannung für eine höhere Taktrate? vor 14 Jahren 0
I know the Microchip's PICs have a graph for Voltage vs Frequency. There's a minimum voltage that the chip will run at a low frequency. It's a linear scale to the maximum voltage and maximum frequency. Robert vor 14 Jahren 0
@Nils, higher voltage gives sharper and less ambiguous transitions and states, and makes it more likely a 1 will be interpreted as a 1 and not a 0. And higher frequency makes transitions less square-ish. Remember square waves don't exist. vor 14 Jahren 2
du meinst mehr Quadratisch Nathan Fellman vor 14 Jahren 0
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Weng Cho

Nun, bei der elektrischen Leistung gibt es zwei Arten von Leistung, Blindleistung und Wirkleistung. Manche Menschen bezeichnen Blindleistung als dynamische Leistung. Blindleistung wird niemals verbraucht oder geht verloren. Wenn zum Beispiel ein idealer Kondensator über ideale, verlustfreie Drähte an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, wird der Kondensator aufgeladen und entladen, wobei er in einem Zyklus Energie vom Generator entnimmt und im nächsten Zyklus Energie zum Generator zurückführt. Der Nettoverlust ist Null.

Wenn die Drähte jedoch nicht ideal und widerstandsfähig sind, wird während des Ladens und Entladens des Kondensators Energie in den Drähten abgeführt. Diese Verlustleistung ist eine echte Verlustleistung und kann nicht wiederhergestellt werden. Wenn die Taktrate ansteigt, steigt die Lade- und Entladerate an, was den Leistungsverlust in den Drähten erhöht.

Die Gates von Transistoren verhalten sich wie Kondensatoren. Mit steigender Taktfrequenz wird den Kondensatoren mehr Blindleistung zugeführt. Der Bruchteil davon geht in den Widerstandsdrähten verloren.

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Rich Homolka

Eine Sache, die bisher noch nicht erwähnt wurde: Chips werden schneller und der Lithografieprozess, um sie herzustellen, verkleinert die Komponenten. Sie sind so klein geworden, dass sie in einigen Fällen einige Atome breit sind. Es gibt jetzt erhebliche Leckströme, die im Allgemeinen als Wärme abgeführt werden.

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Daniel R Hicks

Um den Zustand einer Schaltung schnell umzuschalten, ist mehr Strom erforderlich als für eine langsame Schaltung. Um diesen Strom zu erreichen, benötigen Sie eine höhere Spannung und / oder größere, leistungsstärkere Komponenten. Und natürlich benötigen größere Komponenten mehr Antriebsstrom, was zu einem Schneeballeffekt führt.

(Interessanterweise gab es im jüngsten Scientific American (Juli 2011) einen Artikel, der sich mit diesem Thema für das menschliche Gehirn befasst. Dieselben Prinzipien und eine Möglichkeit, die das menschliche Gehirn in mehr Macht packt, ist die Aufteilung des Gehirns in getrennte Subprozessoren. sozusagen.)

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