Mengapa prosesor menjadi panas?

16

Saya ingin memahami bagaimana proses komputasi menyebabkan prosesor menjadi panas. Saya mengerti bahwa panas dihasilkan oleh transistor.

  1. Bagaimana transistor menghasilkan panas sebenarnya?
  2. Apakah korelasi antara jumlah chip dan panas dihasilkan secara linier?
  3. Apakah produsen CPU mengoptimalkan posisi transistor tunggal untuk meminimalkan panas yang dihasilkan?
syntagma
sumber
Switching case panas dan karenanya clock speed juga memiliki hubungan langsung dengan panas yang dihasilkan.
nidhin
5
Dalam praktiknya, keripik nyata memanas karena pergerakan listrik melalui konduktor penolak, seperti disebutkan dalam jawaban. Tetapi jika subjek ini menarik minat Anda, Anda mungkin ingin membaca tentang bagaimana pembuatan informasi biner itu sendiri membutuhkan penciptaan limbah panas; Esai bagus yang tidak memerlukan banyak ilmu fisika dapat ditemukan di sini plato.stanford.edu/entries/information-entropy
Eric Lippert
Saya tidak memiliki matematika untuk menjawab dengan benar (dan menguraikan komentar Eric), tetapi ada implikasi untuk pertanyaan ini dalam komputasi kuantum dan gerbang yang dapat dibalik . Ada "kT ln (2) energi yang dihamburkan per operasi bit ireversibel". Bagian dari prinsip Landauer . Jika sudah (A & B), ini memiliki dua input dan satu output. Informasi yang hilang dalam proses ini harus pergi ke suatu tempat dan menjadi entropi (panas) ... dengan asumsi saya mengerti cukup untuk menggambarkan ini.

Jawaban:

25

Transistor (FET, dalam IC modern) tidak pernah beralih langsung dari OFF penuh ke ON penuh. Ada periode saat ini menghidupkan atau mematikan di mana FET bertindak seperti sebuah resistor (bahkan ketika sepenuhnya ON masih memiliki resistensi).

Seperti yang Anda ketahui, melewatkan arus melalui resistor menghasilkan panas ( atau P = V 2P=I2R ).P=V2R

Semakin banyak transistor beralih semakin banyak waktu yang mereka habiskan dalam keadaan resistif itu, sehingga semakin banyak panas yang mereka hasilkan. Jadi jumlah panas yang dihasilkan dapat berbanding lurus dengan jumlah transistor - tetapi juga tergantung pada transistor mana yang melakukan apa dan kapan, dan itu tergantung pada apa yang diinstruksikan oleh chip.

Ya, pabrikan dapat menempatkan blok tertentu dari desain mereka (bukan transistor individual, tetapi blok yang membentuk fungsi lengkap) di area tertentu tergantung pada panas yang dapat dihasilkan blok - baik untuk menempatkannya di lokasi dengan ikatan panas yang lebih baik, atau untuk menempatkan jauh dari blok lain yang dapat menghasilkan panas. Mereka juga harus memperhitungkan distribusi daya di dalam chip, sehingga menempatkan blok secara sewenang-wenang tidak selalu memungkinkan, sehingga mereka harus berkompromi.

Majenko
sumber
Ada banyak banyak faktor yang berkontribusi terhadap produksi panas dalam CPU. Hanya karena jawaban ini tidak sengaja menyebutkan jawaban favorit Anda tidak berarti itu salah. Saya sarankan, alih-alih memilih dengan suara rendah untuk jawaban yang benar-benar valid, Anda mencoba menuliskan jawaban Anda sendiri. Jika lebih baik dari yang ini maka komunitas akan memutuskan dan akan mendapatkan lebih banyak suara.
Majenko
1
Jadi bias dengan memberikan jawaban yang lebih baik kepada orang-orang untuk memberikan suara mereka daripada suara saya
Majenko
Saya akan, tetapi saya tidak akan punya waktu untuk sementara waktu (hari). Untuk saat ini, saya setuju bahwa panas dihasilkan oleh kerugian resistif. Namun, saya tidak berpikir jawaban Anda memberikan pemahaman yang sangat mendalam.
HKOB
21

Semua aliran arus dalam apa pun yang bukan superkonduktor menghasilkan panas. Dalam chip, sebagian besar mengalir di lapisan "logam" aluminium (mengapa tidak tembaga? Interaksi kimia yang buruk dengan bagian lain dari silikon, ternyata).

Apa yang menyebabkan arus mengalir? Setiap kali transistor berubah keadaan, ini dapat dimodelkan sebagai kapasitor (gerbang FET dari gerbang logika yang digerakkan plus kapasitansi kawat parasit) pengisian / pemakaian melalui kawat dan output FET dari gerbang sebelumnya. Ini adalah kekuatan "switching" atau "dinamis". Ini sebanding dengan kecepatan switching dan kuadrat dari tegangan; karenanya drive dari 5V ke 3.3V ke 1.8V untuk efisiensi yang lebih baik.

Isolatornya tidak sempurna, dan di beberapa tempat sangat tipis. Transistor mungkin tidak sepenuhnya "mati". Jika FET memiliki resistansi off dari megaohm, dan Anda menempatkan satu juta dari mereka secara paralel, itu terlihat seperti resistor 1 ohm. Ini adalah kekuatan "kebocoran". Ini sebanding dengan jumlah transistor.

Saya menghabiskan satu dekade bekerja di sebuah startup pada optimasi daya. :) Ada banyak teknik: pengorbanan kecepatan / kebocoran ("gerbang logam k tinggi"), mematikan seluruh bagian dari sirkuit, gating jam, pengurangan frekuensi jam, ukuran dan penempatan.

pjc50
sumber
Mikroprosesor berkinerja tinggi saat ini benar - benar menggunakan interkoneksi tembaga, dengan lapisan tipis logam lain untuk mencegah tembaga bereaksi dengan silikon. Aluminium masih digunakan pada chip yang prosesnya tidak terlalu rumit dan lebih besar, karena jauh lebih mudah untuk dikerjakan.
hobbs
0

1) Setiap kali ada aliran arus, panas dihasilkan oleh tumbukan elektron. 2) Ya, umumnya, korelasinya linier. 3) Sangat tidak mungkin bahwa pabrik CPU mengoptimalkan posisi masing - masing transistor, untuk meminimalkan panas yang dihasilkan (mereka semua di dalam casing yang sama ).
Ketika CPU "idle", meskipun menggunakan jumlah arus minimum, itu menghasilkan panas. Ketika prosesor mulai "memproses" informasi, masing-masing transistor beralih status. Pergantian ini juga menghasilkan panas. Selain itu, frekuensi switching mempengaruhi laju pembangkitan panas, semakin tinggi frekuensi semakin tinggi laju pembangkitan panas. Karena kapasitas disipasi panas chip diperbaiki, chip dapat menjadi terlalu panas jika dioperasikan pada frekuensi yang lebih tinggi daripada yang dirancang untuk beroperasi.

Guill
sumber
0

sederhana kita tahu bahwa menurut hukum joule bahwa setiap kali elektron mengalir melalui konduktor, panas yang dihasilkan karena resistansi material karena setiap konduktor memiliki sejumlah resistansi di dalamnya.

Abhay
sumber